Tải bản đầy đủ

CHUYÊN đề DI TRUYỀN học QUẦN THỂ và dấu CHUẨN DI TRUYỀN TRONG ỨNG DỤNG DI TRUYỀN học

|


CHUYÊN ĐỀ DI TRUYỀN HỌC QUẦN THỂ VÀ DẤU CHUẨN DI

TRUYỀN TRONG ỨNG DỤNG DI TRUYỀN HỌC
A. MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài.
Trong các đề thi học sinh giỏi quốc gia và quốc tế môn Sinh học hiện nay,
bài tập phần Di truyền học quần thể và phần Ứng dụng di truyền học thường xuyên
được đề cập tới. Các bài tập đều yêu cầu học sinh nắm chắc kiến thức cơ bản đồng
thời vận dụng linh hoạt ở cấp độ cao. Hơn nữa, đề thi thường rất dài, các em học
sinh cần tư duy và làm bài nhanh. Do đó chúng tôi chọn chuyên đề “Di truyền quần
thể và dấu chuẩn di truyền trong ứng dụng di truyền học”, trong đó chúng tôi tổng
hợp các công thức trong di truyền học quần thể và các kiến thức cơ bản về dấu
chuẩn di truyền học thường xuất hiện trong bài thi, từ đó giúp các em học sinh làm
bài chính xác và tiết kiệm thời gian.
2. Mục đích của đề tài.
- Hệ thống các kiến thức và công thức trong Di truyền học quần thể và các bài tập
vận dụng.
- Hệ thống kiến thức cơ bản về Dấu chuẩn di truyền học và các bài tập vận dụng.

B. NỘI DUNG
I. DẤU CHUẨN DI TRUYỀN TRONG ỨNG DỤNG DI TRUYỀN HỌC
1. Khái niệm
Dấu chuẩn di truyền (genetic markers) là sự biến dị của một trình tự ADN có
trong quần thể.
Lưu ý: trình tự ADN có thể thuộc vùng mã hóa hoặc vùng không mã hóa của gen
hoặc vùng ADN ngoài gen. Trong phạm vi một gen, biến dị của trình tự ADN
chính là cơ sở hình thành các alen khác nhau.
Trang 2


2. Các loại dấu chuẩn di truyền phổ biến
2.1. SNP- các đa hình đơn nucleotit (Single nucleotide polymorphisms)
- Khái niệm: SNP là đột biến đơn nucleotit được tìm
thấy trong quần thể với tần số từ 1% trở lên
- Mật độ: trong hệ gen người, SNP xuất hiện với mật độ
trung bình khoảng 100-300 cặp base với mỗi SNP.
- Vị trí: SNP được tìm thấy ở cả các vùng mã hóa và
các vùng không mã hóa của hệ gen. Các nhà khoa học
đã xác định được vị trí của vài triệu SNP trong hệ gen
người và sẽ tiếp tục tìm thêm các vị trí mới.
- RFLP- đa hình độ dài các đoạn giới hạn: là một dạng SNP đặc biệt khi đột biến
đơn nucleotit đã làm thay đổi trình tự nhận biết của enzim giới hạn.
Ví dụ: trường hợp khác biệt đơn nucleotit giữa các alen quy định chuỗi β- globin
của tế bào hồng cầu bình thường và tế bào hồng cầu hình liềm. Những biến dị này
làm thay đổi kích thước các đoạn cắt giới hạn được tạo ra sau khi ADN được xử lí
với enzim
- Hình thành: SNP được hình thành do đột biến thay thế một cặp nucleotit
- Phát hiện:
+ sử dụng kĩ thuật thẩm tách Southern
+ sử dụng phương pháp PCR hay các phương pháp phân tích microarray có độ
nhạy cao.
- Ứng dụng:
SNP là một trong các dấu chuẩn di truyền được dùng phổ biến nhất.
+ Sử dụng các SNP để chuẩn đoán các
bệnh di truyền: nếu như tìm thấy một
SNP liên kết chặt với một alen bất
thường thì alen đó và dấu chuẩn luôn
Trang 3



di truyền cùng nhau. Do đó, sự có mặt của alen bất thường được xác định qua sự
có mặt của SNP.
Ví dụ 1: các alen gây bệnh múa giật Huntinton và một số bệnh di truyền khác ban
đầu được phát hiện một cách gián tiếp này thông qua các dấu chuẩn RFLP.
Ví dụ 2: Phả hệ giả dựa trên
phân tích SNP của ADN từ một
vùng nhiễm sắc thể. Trong gia
đình này, các cá thể có SNP
khác nhau ở nucleotit A, T hoặc
C. Mỗi cá thể có 2 alen, một số
chứa A trên cả hai SNP, một số khác dị hợp ở vị trí này. Phân tích cho thấy tính
trạng quan tâm phân li cùng với SNP chứa nucleotit C.
+ Sử dụng SNP trong điều tra hình sự: cục điều tra liên bang Mỹ (FBI) bắt đầu ứng
dụng công nghệ ADN trong pháp y kể từ năm 1988 bằng việc sử dụng phép phân
tích RFLP kết hợp với thẩm tách Southern để tìm sự giống nhau và khác nhau giữa
các mẫu qua đó điều tra các đối tượng hình sự liên quan. Lưỡng mẫu máu và mô
rất nhỏ khoảng 1000 tế bào có thể cho được kết quả nghiên cứu.
Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học cũng tìm ra nhiều dạng biến dị
khác gồm đảo đoạn, mất đoạn, lặp đoạn nhung không có biểu hiện gây hại rõ rệt
đối với cơ thể màng chúng. Các biến dị trên cùng các SNP là những dấu chuẩn di
truyền hiệu quả trong nghiên cứu tiến hóa ở người, trong việc phát hiện các khác
biệt giữa các quần thể người, tìm ra con đường di cư của các quần thể người qua
lịch sử.
2.2. STR- các trình tự ngắn lặp lại liên tiếp (Short tandem repeat)
- Khái niệm: STR là những đơn vị lặp lại kế tiếp nhau, mỗi đơn vị lặp lại gồm 2-6
nucleotit, ở những vùng đặc thù trong hệ gen. STR còn có các tên gọi khác là vi vệ
tinh, microsatellite hay SSR.
Trang 4


- Tính đa hình:
+ Mức độ lặp lại của các đơn vị nucleotit có mức biến động lớn (tính đa hình cao)
giữa những người khác nhau. VD: một cá thể có thể có trình tự ACAT lặp lại 30 lần
ở một locus trong hệ gen, trong khi một cá thể khác ở locus này chỉ có 18 lần lặp
lại trình tự ACAT.
+ Tính biến động có thể thể hiện ở những vị trí khác nhau trong hệ gen. Ví dụ đơn
vị lặp lại GTTAC có thể xuất hiện liên tiếp hàng trăm nghìn lần tại một vị trí trong
hệ gen nhưng ở vị trí khác, số lần lặp lại của đơn vị này chỉ bằng một nửa.
Theo một thống kê gần đây, hệ gen người có khoảng 128000 locus lặp 2 bp,
8740 locus lặp 3 bp, 23680 locus lặp 4 bp, 4300 locus lặp 5 bp, 230 locus lặp 6 bp
Ngoài ra, VNTR (còn gọi là tiểu vệ tinh, minisatellites) có đặc điểm giống với STR
về sự lặp lại liên tiếp các trình tự đơn, nhưng đơn vị lặp lại thường lớn hơn, từ 7
đến vài chục bp. Trong hệ gen người, số locus VNTR ít hơn nhiều so với STR
- Sự hình thành: các STR được hình thành chủ yếu do hiện tượng “sao chép trượt”
hay còn gọi là sao chép lệch mục tiêu trong sao chép ADN khi một đoạn ADN
được dùng làm khuôn hai hoặc nhiều lần.
Ví dụ: hình bên dưới cho thấy mạch bổ sung (n+1) đã hình thành một vòng ADN
gồm 3 nucleotit CAG dẫn tới đoạn GTC trên mạch gốc được sao chép 2 lần. Kết
quả sau lần nhân đôi thứ hai đã tạo một phân tử ADN mới có 7 đoạn CAG thay vì
6 đoạn.

Trang 5


- Phát hiện: Bằng cách sử dụng các cặp mồi được đánh dấu với các gốc huỳnh
quang có màu khác nhau, người ta có thể nhân dòng các STR nhất định, rồi sau đó
phân tích chúng bằng điện di. Quy trình phân tích này sẽ cho biết có bao nhiêu lần
đơn vị lặp lại xuất hiện tại mỗi locus STR của mẫu.
Nhờ có bước PCR, phương pháp này có thể sử dụng ngay cả khi chất lượng ADN
tinh sạch không cao hoặc khi lượng mẫu thu được rất nhỏ. Mỗi mấu mô chỉ cần
chứa khoảng 20 tế bào là có thể đủ cho việc nhân dòng bằng PCR.
- Ứng dụng:
+ so sánh các mẫu ADN ở các đối tượng khác nhau trong điều tra hình sự.
Ví dụ: Năm 1984, Earl Washington bị kết án tử hình do phạm tội hiếp dâm và giết
Rebecca Williams vào năm 1982. Án này sau đó giảm xuống thành án chung thân
năm 1993 do những nghi ngờ mới về bằng chứng. Đến năm 2000, kĩ thuật phân
tích STR được thực hiện bởi các nhà khoa học pháp y phối hợp với Dự án Vô tội
khẳng định là Earl Washington vô can. Kết quả phân tích STR được thể hiện ở
bảng dưới đây:
Nguồn mẫu
Dấu chuẩn STR1
Tinh dịch để lại
17,19
trên nạn nhân
Earl Washington
Kenneth Tinsley
Trang 6

16,18
17,19

Dấu chuẩn STR2
13,16
14,15
13,16

Dấu chuẩn STR3
12,12
11,12
12,12


Kết quả cho thấy tội phạm là một tù nhân khác tên là Kenneth Tinsley và
người này đã phải thú nhận hành vi phạm tội. Với phương pháp trên, đến năm
2006, 18 người vô tội được giải phóng khỏi nhà tù trên cơ sở các bằng chứng pháp
y và pháp lí của dự án.
Như vậy, chỉ cần một lượng nhỏ các dấu chuẩn di truyền cũng đủ cung cấp
một hồ sơ di truyền pháp y hiệu quả (Ví dụ, trong vụ án trên chỉ cần xét 3 trong số
13 locus STR) vì khả năng hai người khác nhau có cùng một tập hợp các dấu
chuẩn STR giống hệt nhau hầu như không thể xảy ra (trừ trường hợp sinh đôi cùng
trứng.)
+ xác định huyết thống
+ xác định các nạn nhân trong các vụ tai nạn hoặc thiên tai gây tử vong hàng loạt.
+ xác định xác suất mắc một loại bệnh nhất định. Ví dụ, số đơn vị lặp lại của trình
tự CGG tăng lên tại vị trí FRAXA thuộc NST X liên quan đến Hội chứng NST X
dễ gãy, đây là bệnh thiểu năng trí tuệ di truyền phổ biến nhất ở người. NST X bình
thường có từ 6-50 bản sao liên tiếp của CGG nhưng NST đột biến chứa tới 1000
bản sao liên tiếp của đơn vị này. Các đoạn trình tự lặp lại của CAG, CTG liên quan
đến một số bệnh thần kinh di truyền ở người, bao gồm bệnh múa giật Huntinton,
bệnh loạn dưỡng cơ, bệnh Kenedy, bệnh teo cơ Delta vàng da, bệnh mất điều hòa
tiểu não đỉnh. Ở tất cả các bệnh này, mức độ nghiêm trọng của bệnh liên quan trực
tiếp đến số đột biến lặp lại của các trình tự. Khi số bản sao của các trình tự 3
nucleotit càng cao, mức độ nghiêm trọng của bệnh càng tăng.
3. Độ tin cậy của các dấu chuẩn di truyền
Tính đến năm 1992, các nhà nghiên cứu đã tập hợp được một bản đồ gen
liên kết ở người gồm khoảng 5000 dấu chuẩn khác nhau. Bản đồ này đã giúp họ
xác định được vị trí của các dấu chuẩn khác bằng việc kiểm tra sự liên kết di
truyền của chúng với các dấu chuẩn đã biết trước đó.

Trang 7


Các dấu chuẩn di truyền có thể được phân tích ở một người nhất định để xác
định một tập hợp các dấu chuẩn di truyền đặc trưng duy nhất của người đó gọi là
tàng thư di truyền. Thuật ngữ này được các nhà pháp y gọi là “dấu vân tay ADN”.
Tàng thư di truyền đã được sử dụng cho rất nhiều mục đích khác nhau trong xác
định huyết thống, điều tra hình sự, nhận dạng nạn nhân trong các tai nhạn thiên
nhiên... VD: sau vụ tấn công khủng bố Trung tâm Thương mại thế giới ở Mỹ năm
2001, hơn 10 000 mẫu sinh phẩm của các nạn nhân được lưu giữ và so sánh với
các mẫu ADN thu được từ đồ dùng cá nhân như bàn chải đánh răng do gia đình
cung cấp, các nhà pháp y đã nhận dạng thành công 3000 cá thể.
Khi số dấu chuẩn được kiểm tra trong một mẫu ADN càng nhiều thì độ tin cậy về
việc khớp một tàng thư di truyền với một cá nhân nhất định càng cao. Trong điều
tra hình sự, với việc phân tích đồng thời 13 locus STR thì xác suất để hai người có
tàng thư di truyền giống hệt nhau rơi vào khoảng 1/10 tỉ. Mặc dù vẫn có những sai
sót (lỗi của con người) khi phân tích từ các dữ liệu không đầy đủ hoặc từ các bằng
chứng thiếu xác thực nhưng tàng thư di truyền hiện nay nhìn chung được công
nhân là những bằng chứng có tính thuyết phục cao bởi các chuyên gia pháp lí cũng
như các nhà khoa học.
4. Một số bài tập liên quan đến dấu chuẩn di truyền
Bài 1 (Trích đề IBO 2016)
Mr.Long đã phân tích các mẫu ADN của 3 gia đình bằng cách sử dụng 6 locut đoạn
lặp ngắn kế tiếp (short tandem repeat - STR) nằm trên 6 nhiễm sắc thể thường khác
nhau. Mỗi locut STR thường có nhiều alen khác nhau và được kí hiệu bằng các chữ
số. Ví dụ ở bảng dưới đây, với mẫu ADN của Huong ở locut 1 thì kí hiệu 3/5 cho
biết kiểu gen là dị hợp tử gồm alen 3 và alen 5. Trong gia đình thứ nhất, bố tên là
Hung, mẹ tên là Huong và con trai của họ là Dung.
Trong gia đình thứ 2, bố là Nhan, hai con trai là Tin và Nghia. Trong gia đình thứ
3, bố là Phu và người con trai là Quy. Mr.Long cũng sử dụng mẫu ADN của người
Trang 8


không có quan hệ họ hàng với bất kỳ gia đình nào nêu trên, tên là Dat. Các mẫu
ADN chưa xác định danh tính được đánh số ngẫu nhiên, trừ mẫu của Huong.

Hãy cho biết câu nào sau đây là đúng hay sai và điền vào phiếu trả lời
A. Mẫu 735 là ADN của Dat
B. Mẫu 669 là ADN của Nhan
C. Mẫu 938 là ADN của Hung
D. Mẫu 297 có thể là ADN của Phu
Đáp án: A sai, B,C,D đúng
Trả lời cụ thể:
- So sánh mẫu của Huong với các mẫu khác cho thấy chỉ có 735 đều có alen giống
với alen của Hương ở mỗi locus => 735 là Dung
- So sánh mẫu 735 - Dung với các mẫu khác thấy chỉ có mẫu 938 có alen giống với
alen của Dung => 938 là Hung
- Tương tự mẫu 669 có mối liên hệ với 130 và 264. Còn 130 và 264 có locus 3
không có alen nào giống nhau => 669 là Nhan, 130 và 264 là Tin, Nghia hoặc
Nghĩa, Tin
Trang 9


- Mẫu 653 không có liên quan gì đến 297 và 860 => 653 là Dat. Hai mẫu 297 và
860 là Phu, Quy hoặc Quy, Phu.
Bài 2 (Trích đề IBO 2016)
Các trình tự ADN đa hình được sử dụng rộng rãi trong việc nhận dạng cá thể
bằng chỉ thị phân tử. STR (short tandem repeat) bao gồm nhiều trình tự lặp lại của
2 – 8 nucleotide và hai đầu đoạn lặp là hai trình tự bảo thủ. Mỗi locus STR thông
thường có nhiều hơn hai alen. Đa hình đơn nucleotide (Single nucleotide
polymorphism - SNP) là một biến đổi ở một nucleotide trên trình tự ADN giữa các
cá thể. Mỗi SNP thường chỉ có 2 alen. Bảy cá thể được xác định kiểu gen ở 2 SNP
trên nhiễm sắc thể thường và 2 SNP trên ADN ti thể (mtDNA); 2 STR trên nhiễm
sắc thể thường và 2 STR liên kết nhiễm sắc thể Y (NRY) (Bảng Q.91).

Hãy cho biết câu nào sau đây là đúng hay sai và viết vào Phiếu trả lời.
A. Nếu sử dụng số lượng các SNP tương đương với số lượng STR, thì phân biệt
các cá thể bằng SNP tốt hơn so với STR.
B. Khả năng Ind_6 là con của Ind_2 và Ind_5 là cao hơn so với Ind_3.

Trang 10


C. lnd_4 có thể là anh trai của lnd_6.
D. lnd_7 có thể là cháu gái của ông bà lnd_1 và lnd_6.
A. sai do sự đa hình của SNP thấp hơn sự đa hình của STR
B. sai khả năng người số 3 là con cao hơn. Do người số 3 nhận NST Y từ người số
2 và nhận mtADN từ người số 5. Người số 6 không nhận mtADN từ người số 5.
C. đúng
D. đúng do người 7 không nhất thiết nhận mtADN từ người 6. Người 7 có thể nhận
từ con trai của người 1 và 6.
Bài 3 (Trích đề IBO 2013)
Ở một loài thực vật, lượng sắc tố anthocyanin được kiểm soát bởi một gen
đơn G. Gen này có 2 alen, một alen màu sẫm và một alen màu sáng. Để xác định vị
trí gen G chính xác trên NST số 3, người ta tiến hành lai 2 dòng thuần chủng (P1
và P2) và các cá thể F2 (từ X1 đến X5) được xác định kiểu gen ở 5 locut biến dị
đơn nucleotit (kí hiệu từ SNV1 đến SNV5) trên cùng NST.

Từ bảng số liệu trên, cho biết phát biểu dưới đây là đúng hay sai.
A. Một sự kiện tái tổ hợp giữa các locut đã xảy ra ở cả bố lẫn mẹ của cá thể X2.
B. Các cá thể F1 nhiều khả năng biểu hiện lượng anthocyanin ở mức trung gian.
C. Trong các locut nghiên cứu, SNV3 gần gen G hơn cả.

Trang 11


D. Tỉ lệ kiểu hình ở thế hệ con của phép lai giữa X4 và X5 là 2:1.
Đáp án: A. Sai

B. Sai

C. Đúng

D. Sai

Giải thích
A. Sai. Sự kiện tái tổ hợp chỉ diễn ra ở một cơ thể bố mẹ giữa locut 3 và 4. Cá thể
bố mẹ còn lại không có tái tổ hợp.
B. Sai. Do cá thể X1 có kiểu gen giống với F 1 nhưng không biểu hiện kiểu hình
trung gian
C. Đúng. Vì đây là locut duy nhất mà kiểu gen phù hợp với kiểu hình theo quy luật
Menden
D. Sai. Với sự di truyền trội-lặn như trên, không có bất kì phép lai nào cho tỉ lệ 2:1
Bài 4 (Trích đề IBO 2014)
Ở chủng tộc người Tây Tạng sống ở độ cao trên 4000 m, người ta đã phát
hiện được một gen mã hóa cho protein 1 (epas1) chứa miền PAS nội biểu mô.
EPAS1 là một yếu tố phiên mã liên quan đến đáp ứng với sự thiếu ôxi. Một đa hình
đơn nucleotit (SNP) tại EPAS1 có liên quan tới số lượng tế bào hồng cầu trong
máu. Tần số alen A của SNP ở người Tây Tạng là 78% cao hơn với tần số gen ở
người Trung Quốc.
Hãy cho biết câu nào dưới đây là đúng hay sai?
A. SNP này ảnh hưởng tới khả năng hấp thụ ôxi khi ở phân áp ôxi thấp.
B. Kết quả này cho thấy sự đáp ứng kiểu hình như vậy là do đa gen.
C. Trình tự axit amin của EPAS1 có thể thay đổi ở những người mang allen A.
D. SNP ở những người Tây Tạng có nhiều khả năng chịu sự chọn lọc cân bằng.
Đáp án:
- Phát biểu đúng A, B, C
II. DI TRUYỀN HỌC QUẦN THỂ
I. Một số khái niệm cơ bản

Trang 12


- Quần thể: là một tập hợp các cá thể cùng loài, cùng sống trong một khoảng không
gian xác định, vào cùng một thời điểm nhất định, có khả năng sinh sản tạo ra các
thế hệ sau.
- Vốn gen: là tập hợp toàn bộ các alen của tất cả các gen trong quần thể ở một thời
điểm xác định. Mỗi quần thể có vốn gen đặc trưng, đặc điểm của vốn gen thể hiện
ở tần số các alen, tần số các kiểu gen của quần thể.
− Tần số alen của một gen nào đó được tính bằng tỉ lệ giữa số lượng alen đó trên
tổng số các loại alen khác nhau của gen đó tại thời điểm xác định.
− Tần số của một kiểu gen nào đó trong quần thể được tính bằng tỉ lệ giữa số cá
thể có kiểu gen đó trên tổng số cá thể có trong quần thể.
Ví dụ: Một quần thể đậu Hà Lan gồm 410 cá thể có kiểu gen AA, 580 cá thể có
kiểu gen Aa và 10 cá thể có kiểu gen aa. Hãy tính tần số của các alen và tần số các
kiểu gen trong quần thể.
Giải: Tổng số alen trong quần thể = (410 + 580 + 10) . 2 = 2000.
Số lượng alen A trong quần thể = (410.2) + 580 = 1400.
Số lượng alen a trong quần thể = (10.2) + 580 = 600.
Tần số alen A trong quần thể là p =

= 0,7.

Tần số alen a trong quần thể là q =

= 0,3.

Tần số kiểu gen AA trong quần thể =

= 0,41.

Tần số kiểu gen Aa trong quần thể =

= 0,58.

Tần số kiểu gen aa trong quần thể =

= 0,01.

Trang 13




Công thức tổng quát: Với một gen có 2 alen A và a. Quần thể có thành phần kiểu

gen d(AA) : r(Aa) : r(aa). Gọi p, q lần lượt là tần số alen A, a (p + q = 1).
Ta có: p(A) = d + = 1 – q(a) ; q(a) = r + = 1 – p(A).
II. Cấu trúc di truyền của quần thể tự phối
1. Đặc trưng di truyền của quần thể tự phối
- Là các quần thể thực vật tự thụ phấn, các quần thể động vật lưỡng tính tự thụ tinh
và các quần thể động vật giao phối cận huyết (giao phối gần) thuộc về quần thể tự
phối.
- Tự phối qua nhiều thế hệ làm cho quần thể có tỉ lệ kiểu gen dị hợp tử ngày càng
giảm dần, tỉ lệ kiểu gen đồng hợp tử ngày càng tăng dần. Vì vậy, vốn gen của quần
thể tự phối thường phân hoá thành các dòng thuần có kiểu gen khác nhau, làm
giảm tính đa dạng di truyền của quần thể.
2. Sự biến đổi cấu trúc di truyền của quần thể tự phối
Quần thể ban đầu P có tần số các kiểu gen là x(AA) + y(Aa) + z(aa) = 1
Sau n thế hệ tự phối ⇒ Fn: [x + y(

AA :

Aa : [z + y(

aa

* Chú ý: Trường hợp quần thể tự phối xét 1 gen có 2 alen, trong đó cá thể có
kiểu gen đồng hợp tử lặn gây chết ở giai đoạn phôi thì tần số alen và tần số kiểu
gen của quần thể sau n thế hệ tự phối sẽ là:
- Tần số alen: qn =

- Tần số kiểu gen: AA =

( q là tần số alen a ở thế hệ xuất phát); pn = 1 - qn

=

III. Cấu trúc di truyền của quần thể ngẫu phối
1. Đặc trưng di truyền của quần thể ngẫu phối
Trang 14

; Aa =


- Các cá thể trong quần thể kết đôi giao phối với nhau một cách hoàn toàn ngẫu
nhiên. Do đó tạo ra một số lượng rất lớn các biến dị tổ hợp là nguồn nguyên liệu
chủ yếu của tiến hóa và chọn giống. Đồng thời quần thể ngẫu phối có thể duy trì ổn
định tần số các kiểu gen khác nhau trong quần thể, qua các thế hệ ở những điều
kiện nhất định.
- Quan hệ nổi bật giữa các cá thể trong quần thể là quan hệ về mặt sinh sản. Do đó
quần thể ngẫu phối là đơn vị sinh sản, đơn vị tồn tại của loài trong tự nhiên.
- Quần thể ngẫu phối có tính đa hình về kiểu gen và kiểu hình.
2. Trạng thái cân bằng di truyền của quần thể ngẫu phối – Định luật HardyWeinberg
a. Nội dung định luật Hardy-Weinberg: Trong một quần thể ngẫu phối có kích
thước lớn, nếu không có các yếu tố làm thay đổi tần số alen thì thành phần kiểu
gen của quần thể được duy trì không đổi từ thế hệ này sang thế hệ khác theo đẳng
thức: p2 AA + 2pq Aa + q2 aa = 1.
− Trường hợp gen gồm 2 alen: Xét một gen trên NST thường gồm 2 alen A và a
trong quần thể ngẫu phối, có p(A) + q(a) = 1. Khi xảy ra ngẫu phối, quần thể sẽ đạt
trạng thái cân bằng di truyền: [p(A) + q(a)]2 = p2(AA) + 2pq(Aa) + q2(aa) = 1.
− Mở rộng cho trường hợp xét một gen trên NST thường gồm nhiều alen trong quần
thể ngẫu phối thì trạng thái cân bằng di truyền: [p1(a1) + p2(a2) + … + pn(an)]2 = 1.
b. Điều kiện nghiệm đúng của định luật Hardy-Weinberg:
− Quần thể phải có kích thước lớn.
− Các cá thể trong quần thể phải giao phối với nhau một cách ngẫu nhiên.
− Các cá thể có kiểu gen khác nhau phải có sức sống và khả năng sinh sản như nhau.
− Không xảy ra đột biến, nếu có thì tần số đột biến thuận phải bằng tần số đột biến nghịch.
− Quần thể được cách ly với quần thể khác.
* Nhận xét:

Trang 15


− Trong thực tế, một quần thể khó có thể đáp ứng được tất cả các điều kiện trên.
Nếu tần số alen và thành phần kiểu gen liên tục biến đổi, đó sẽ là trạng thái động
của quần thể.
− Một quần thể có thể ở trạng thái cân bằng về thành phần kiểu gen này nhưng lại
không cân bằng về thành phần kiểu gen khác.
c. Ý nghĩa:
− Ý nghĩa lí luận: phản ánh trạng thái cân bằng di truyền trong quần thể và giải
thích vì sao có những quần thể ổn định qua thời gian dài.
− Ý nghĩa thực tiễn: khi biết một quần thể đạt trạng thái cân bằng Hardy-Weinberg
thì từ tần số các cá thể có kiểu hình lặn có thể suy ra tần số tương đối của các alen
cũng như các tần số kiểu gen trong quần thể. Ngược lại nếu biết tần số xuất hiện
một đột biến nào đó có thể dự đoán xác suất bắt gặp để đột biến đó hoặc sự tiềm
tàng của các gen đột biến có hại trong quần thể. Có ý nghĩa quan trọng trong y học
và chọn giống.
III. Các dạng bài tập di truyền quần thể
3.1. Bài tập về quần thể tự phối
a. Dạng 1: Cho thành phần kiểu gen của thế hệ P, qua n thế hệ tự phối, tìm
thành phần kiểu gen của thế hệ F n? Hoặc cho Fn và n, tìm thành phần kiểu gen
của thế hệ P?
- Phương pháp giải: Áp dụng công thức: Thế hệ P ban đầu x(AA): y(Aa): z(aa).

Sau n thế hệ thì thành phần các kiểu gen là: AA = x + y(

Trang 16

; Aa =

; Aa = z + y(


Bài 1: Quần thể tự thụ phấn có thành phần kiểu gen ở thế hệ P là là 0,2 Aa: 0,8 aa.
Sau 3 thế hệ tự thụ phấn cấu trúc của quần thể như thế nào?
AA = 0,2

=

, Aa =

=

, Aa = 0,8 + 0,2(

=

b. Dạng 2: Xác định cấu trúc di truyền của quần thể nội phối với 2 hay nhiều
locut phân li độc lập.
- Phương pháp giải: Xét sự di truyền của từng locut (như trên) rồi sau đó nhân kết
quả với nhau và nhân với tần số của kiểu gen ban đầu.
Bài 1: Thế hệ xuất phát gồm 100% số cá thể có kiểu gen AaBb. Nếu cho các cá thể
trên nội phối sau 2 thế hệ, hãy xác định tần số kiểu gen AaBb, AABB, AAbb, aaBB
và aabb?
- Xét locut “A”
+ P: 100% Aa (h = 1)
+ Ở thế hệ thứ 2, tỉ lệ kiểu gen Aa = (1/2)n h = (1/2)2. 1 = 1/4
tỉ lệ kiểu gen AA = 0 + (1 – 1/4)/2 = 3/8
tỉ lệ kiểu gen aa = 0 + (1 – 1/4)/2 = 3/8
- Xét locut “B”
+ P: 100% Bb
+ Ở thế hệ thứ 2, tỉ lệ kiểu gen Bb = (1/2)n h = (1/2)2. 1 = 1/4
tỉ lệ kiểu gen BB = 0 + (1 – 1/4)/2 = 3/8
tỉ lệ kiểu gen bb = 0 + (1 – 1/4)/2 = 3/8
- Xét đồng thời cả 2 locut:
+ P : 100% AaBb
+ Vì 2 locut trên 2 NST khác nhau nên chúng phân li độc lập với nhau. Do đó ở F2:
tần số kiểu gen AaBb = 1/4. 1/4 = 1/16 = 0,0625
tần số kiểu gen AABB = 3/8. 3/8 = 9/64 = 0,140625
tần số kiểu gen AABB = Aabb = aaBB = aabb = 3/8. 3/8 = 9/64 = 0,140625
Bài 2: Một quần thể thực vật tự thụ phấn, thế hệ xuất phát (P) có tỉ lệ các kiểu gen
là 0,2AAbb : 0,5AaBb : 0,3aaBB. Cho biết mỗi gen quy định một tính trạng, alen
trội là trội hoàn toàn. Ở thế hệ F 1, số cá thể có kiểu hình trội về một trong hai tính
trạng chiếm tỉ lệ bao nhiêu?
Trang 17


Giải: 0,2AAbb → F1: 0,2 AAbb
0,3aaBB → F1: 0,3 aaBB
0,5AaBb → F1: 0,5 [(0,75A- : 0,25 aa)(0,75B- : 0,25 bb)] = 0,28125 A-B- :
0,09375 A-bb : 0,09375 aaB- : 0,03125 aabb
Số cá thể có kiểu hình trội về một trong hai tính trạng chiếm tỉ lệ 0,2 + 0,09375 +
0,09375 + 0,3 = 0,6875 = 68,75%
3.2. Các dạng bài tập về quần thể ngẫu phối
a. Dạng 1: Cho biết quần thể ở trạng thái cân bằng di truyền và tần số kiểu
hình, xác định tần số các alen.
- Phương pháp giải:
1.1. Gen nằm trên NST thường
+ Khi quần thể ở trạng thái cân bằng di truyền thì cấu trúc di truyền của quần thể
thỏa mãn đẳng thức: p2 AA + 2pq Aa + q2 aa = 1
+ Tần số kiểu hình mang tính trạng lặn sẽ tương ứng với q 2, khai căn bậc hai để
tính q (q ≥ 0)
+ Từ công thức p + q = 1→ p = 1 – q.
* Nếu gen có nhiều hơn 2 alen thì trạng thai cân bằng di truyền được thiết lập theo
đẳng thức (p + q + r +…)2 = 1 (trong đó: p, q, r lần lượt là tần số của các alen)
1.2. Gen nằm trên vùng không tương đồng của NST X
- Giới XX, trạng thái cân bằng di truyền p2 XAXA + 2pq XAXa + q2 XaXa = 1
- Giới XY: p XAY + q XaY = 1
Bài 1: Đề Olympic Quốc tế Sinh học 2008
Một nhà chọn giống chồn vizon cho các con chồn của mình giao phối ngẫu
nhiên với nhau. Ông ta đã phát hiện ra một điều là tính trung bình, thì 9% số chồn
của mình có lông ráp. Loại lông này bán được ít tiền hơn. Vì vậy ông ta chú trọng
tới việc chọn giống chồn lông mượt bằng cách không cho các con chồn lông ráp
giao phối. Tính trạng lông ráp là do alen lặn trên nhiễm sắc thể thường qui định. Tỷ
Trang 18


lệ chồn có lông ráp mà ông ta nhận được trong thế hệ sau theo lý thuyết là bao
nhiêu?
Giải:
- Tần số alen trong quần thể ban đầu: qa = 0,3 và pA = 0,7
- Tần số kiểu gen ở thế hệ đầu là: (0,7)2 AA + 2.0,7.0,3 Aa + (0,3)2 aa = 0,49 AA +
0,42 Aa + 0,09 aa
Tần số alen a trong quần thể ở cơ thể có kiểu hình trội là: 0,2308
Tỷ lệ chồn có lông ráp mà ông ta nhận được trong thế hệ sau theo lý thuyết là:
(0,2308).2 = 5,3269%.
Bài 2: Đề thi chọn HSG Quốc gia năm 2017
Một quần thể người cân bằng có ba bệnh rối loạn thần kinh - cơ di truyền đều
do đột biến đơn gen gây nên, gồm (1) Loạn dưỡng mặt-vai-gáy gây ra bởi đột biến
trội trên nhiễm sắc thể (NST) thường, (2) Hội chứng Frai-ơ-đrai do đột biến lặn
trên NST thường và (3) Loạn dưỡng cơ Du-ken-nơ do đột biến lặn liên kết NST X.
Mỗi bệnh đều được tìm thấy với tần suất xấp xỉ 1/20000 người. Hãy ước tính tần
số alen gây bệnh và tần số kiểu gen dị hợp tử đối với mỗi bệnh ở quần thể trên.
Giải: Do cả ba chứng bệnh đều hiếm gặp với tần số rất thấp (1/20000 hay 0,005%)
và đều do đột biến đơn gen, có thể nhận định tần số gen không đột biến (alen kiểu
dại), kí hiệu p, xấp xỉ bằng 1,0 (p ≈ 1,0).
Trên cơ sở đó, áp dụng Hardy-Weinberg, có thể ước tính tấn số alen gây bệnh
(alen đột biến), kí hiệu q, và dị hợp tử (2pq) đối với mỗi chứng bệnh như sau:
+ Với chứng Loạn dưỡng cơ mặt – vai – gáy (HC A), vì alen đột biến gây bệnh
là trội mà alen kiểu dại ≈ 1,0, nên có thể nhận định hầu hết cá thể mắc bệnh là dị
hợp tử ⇒ 2pq ≈ 1/20.000, và tần số alen đột biến q ≈ 1/40.000.

Trang 19


+ Với Hội chứng Frai-ơ-đrai (HC F), vì alen đột biến gây bệnh là lặn trên NST
thường, nên tần số alen đột biến q = √1/20.000 ≈ 1/141 ⇒ Tần số dị hợp tử 2pq ≈
2/141 (hay 1/70).
+ Với Loạn dưỡng Dukenne (HC D), vì alen đột biến gây bệnh là lặn trên
NST X, tần số alen kiểu dại xấp xỉ 1,0, nên hầu hết bệnh nhân (1/20.000) sẽ là nam
giới. Quần thể này kích thước lớn, nên có thể nhận định tỉ lệ nam giới ≈ 1/2 ⇒ q ≈
1/10.000 ⇒ Tần số dị hợp tử 2pq ≈ 1/5000
Bài 3: Đề thi chọn HSG Quốc gia năm 2009
Trong một quần thể động vật có vú, tính trạng màu lông do một gen quy định,
đang ở trạng thái cân bằng di truyền. Trong đó, tính trạng lông màu nâu do alen lặn
(ký hiệu là fB) quy định được tìm thấy ở 40% con đực và 16% con cái. Hãy xác định:
a) Tần số của alen fB.
b) Tỉ lệ con cái có kiểu gen dị hợp tử mang alen fB so với tổng số cá thể của quần thể.
c) Tỉ lệ con đực có kiểu gen dị hợp tử mang alen fB so với tổng số cá thể của quần thể.
Giải:
a) Do tính trạng này phân bố không đều ở hai giới tính và tần số kiểu hình ở con
đực nhiều hơn ở con cái → gen quy định tính trạng màu lông nằm trên NST giới
tính X (vì đây là loài động vật có vú).
Do đó tần số alen fB quy định tính trạng bằng đúng tần số con đực có kiểu hình
tương ứng ở đây là 40% → tần số alen này (q) = 0,4.
b) Vì q = 0,4 → p = 0,6. Do quần thể ở trạng thái cân bằng nên tỉ lệ con cái dị hợp
tử mang alen fB là 2pq = 2x0,4x0,6 = 0,48. So với tổng số cá thể của quần thể, thì tỉ
lệ con cái chỉ chiếm 50% → Tỉ lệ con cái dị hợp tử mang alen đó so với tổng số cá
thể trong quần thể là 0,48 x 50% = 0,24.

Trang 20


c) Vì là gen nằm trên NST giới tính X nên con đực không có kiểu gen dị hợp tử về
gen này → Tỉ lệ con đực dị hợp tử mang alen fB so với tổng số cá thể trong quần
thể là 0%.
b. Dạng 2: Cho biết cấu trúc di truyền của quần thể, xác định quần thể đã đạt
trạng thái cân bằng di truyền Hardy-Weinberg chưa? Cần bao nhiêu thế hệ
ngẫu phối thì quần thể đạt trạng thái cân bằng di truyền?
2.1. Gen nằm trên NST thường có 2 alen
- Gọi p là tần số của alen A, q là tần số của alen a (gen nằm trên NST thường)
- Cấu trúc di truyền của quần thể khi đạt trạng thái cân bằng Hardy-Weinberg:
p2(AA) + 2pq(Aa) + q2(aa) = 1. Khi đó, trạng thái cân bằng của quần thể phản ánh
qua mối tương quan sau:
+ Nếu p2q2 = (

)2 ⇒ Quần thể cân bằng di truyền Hardy-Weinberg

+ Nếu p2q2 ≠ (

)2 ⇒ Quần thể chưa cân bằng di truyền Hardy-Weinberg

2.2. Trường hợp 1 gen có 2 alen nằm trên vùng không tương đồng của NST giới
tính X
- Trạng thái cân bằng của quần thể như sau:
+ Số kiểu gen trong quần thể tối đa là 5 kiểu gen: XAXA, XAXa, XaXa, XAY, XaY.
+ Ở giới đồng giao XX: quần thể đạt trạng thái cân bằng di truyền theo p 2 + 2pq +
q2 = 1.
+ Ở giới dị giao XY: quần thể đạt trạng thái cân bằng di truyền theo 0,5p + 0,5q = 1.
2.3. Trường hợp tần số alen ở phần đực và cái trong quần thể là khác nhau, một
gen có 2 alen phân bố trên NST thường
- Cách xác định trạng thái di truyền của quần thể như sau:
+ Tần số tương đối của alen A của các cá thể đực trong quần thể là p’
+ Tần số tương đối của alen a của các cá thể đực trong quần thể là q’
+ Tần số tương đối của alen A của các cá thể cái trong quần thể là p’’
Trang 21


+ Tần số tương đối của alen a của các cá thể cái trong quần thể là q’’
+ Tần số alen A của quần thể, p chung = (p’ + p’’)/2
+ Tần số alen a của quần thể, q chung = (q’ + q’’)/2

Cấu trúc di truyền của quần thể ở trạng thái cân bằng:
p2 AA + 2pq Aa + q2 aa = 1

Đối với quần thể này, trạng thái cân bằng di truyền của quần thể được thiết
lập sau 2 thế hệ ngẫu phối.
2.4. Trường hợp gen nằm trên vùng không tương đồng của NST giới tính X và tần
số alen 2 giới ở thế hệ xuất phát khác nhau
- Cách xác định cấu trúc di truyền của quần thể thông qua những ví dụ sau:
Bài 1: P: (0,64 XAXA : 0,32 XAXa : 0,04 XaXa ) × ( 0,5 XAY : 0,5 XaY). Sau 3 thế hệ
ngẫu phối thì tần số kiểu gen của quần thể như thế nào?
F1: 0,4 XAXA : 0,5 XAXa : 0,1 XaXa ; 0,8 XAY : 0,2 XaY
F1 × F1 ⇒ F2: 0,52 XAXA : 0,41 XAXa : 0,07 XaXa ; 0,65 XAY : 0,35 XaY
F2 × F2 ⇒ F3: 0,4875 XAXA : 0,41625 XAXa : 0,0925 XaXa ; 0,725 XAY : 0,275 XaY
=> Nhận xét:
- Thành phần kiểu gen khi ở trạng thái cân bằng:

XAXA : pq XAXa :

XaXa :

XAY : XaY.
- Qua mỗi thế hệ ngẫu phối, mức độ chênh lệch tần số alen giữa hai giới giảm đi
một nửa.
- Tần số alen của giới cái ở đời sau bằng tần số alen của giới đực ở đời trước (XX
con cái, XY con đực ).
- Quần thể đạt trạng thái cân bằng di truyền sau rất nhiều thế hệ.
Bài 2: Đề thi chọn HSG Quốc gia năm 2015
Ở một quần thể động vật sinh sản hữu tính, giới đực là dị giao tử (XY), giới
cái là đồng giao tử (XX), có tần số alen A (nằm ở vùng không tương đồng trên
Trang 22


nhiễm sắc thể X) tại thế hệ thứ hai ở giới đực là 0,4 và ở giới cái là 0,5. Các cá thể
của quần thể giao phối ngẫu nhiên với nhau qua các thế hệ.
Hãy xác định tần số alen A ở giới đực và giới cái tại thế hệ thứ nhất (thế hệ
đầu tiên) và thế hệ thứ tư. Độ chênh lệch tần số alen A giữa giới đực và giới cái qua
các thế hệ ngẫu phối có sự biến đổi như thế nào?
Giải:
- Tần số alen A ở giới đực thế hệ thứ hai bằng 0,4 chính là tần số alen A ở giới cái
thế hệ thứ nhất.
Gọi x là tần số alen A ở giới đực tại thế hệ thứ nhất vậy có phương trình sau:
1/2 (0,4 + x) = 0,5 → 0,4 + x = 1 → x = 0,6
- Tần số alen A ở giới cái thế hệ thứ ba = 1/2 (0,4 + 0,5) = 0,45
Tần số alen A ở giới đực thế hệ thứ ba chính bằng tần số alen A ở giới cái thế hệ
thứ hai = 0,5.
- Tần số alen A ở giới cái thế hệ thứ tư = 1/2 (0,45 + 0,5) = 0,475
Tần số alen A ở giới đực thế hệ thứ tư chính bằng tần số alen A ở giới cái thế hệ
thứ ba = 0,45.
- Độ chênh lệch của tần số alen A ở hai giới đực và cái giảm dần qua các thế hệ
ngẫu phối: 0,2 → 0,1 → 0,05 → 0,025. Độ chênh này giảm đi một nửa sau mỗi thế
hệ ngẫu phối.
c. Dạng 3: Trường hợp xét nhiều cặp gen phân li độc lập ở 1 quần thể ngẫu
phối. Xác định thành phần kiểu gen, tần số alen.
- Phương pháp chung: Xét từng cặp alen, sau đó nhân kết quả lại
- Nếu đề bài cho thành phần kiểu hình => tìm tần số alen.
+ xét riêng rẽ từng cặp tính trạng
+ từ kiểu hình suy ra tần số alen lặn, tần số alen trội.
Bài 1: Một loài thực vật, gen A quy định hạt tròn là trội hoàn toàn so với gen a quy
định hạt dài. Gen B quy định hạt đỏ trội hoàn toàn so với gen B quy định hạt trắng.
Trang 23


Hai cặp gen A,a và B,b phân li độc lập. Khi thu hoạch ở một quần thể cân bằng di
truyền, người ta thu được 63% hạt đỏ, tròn : 21% hạt trắng, tròn : 12% hạt đỏ, dài :
4% hạt trắng, dài. Tìm tần số alen A,a,B,b trong quần thể.
Giải:
- Xét tính trạng hình dạng hạt: 84% tròn : 16% dài ⇒ tần số a =

= 0,4

⇒ tần số A = 1 – 0,4 = 0,6.
- Xét tính trạng màu hạt: 75% hạt đỏ : 25% hạt trắng ⇒ tần số b =

= 0,5 ⇒

tần số B = 1 – 0,5 = 0,5.
* Những nhân tố làm thay đổi trạng thái cân bằng di truyền Hardy-Weinberg
của quần thể:
a. Nội phối
- Hiện tượng giao phối cận huyết, giao phối chọn lọc ở động vật và tự thụ phấn ở
thực vật diễn ra ở một số cá thể trong quần thể ngẫu phối.
- Giao phối cận huyết làm tăng tỷ lệ đồng hợp tử bằng với mức giảm tỷ lệ dị hợp
tử. Giao phối cận huyết có thể làm thay đổi tần số kiểu gen nhưng không làm thay
đổi tần số alen.
- Tần số các thể đồng hợp tử cao hơn lý thuyết là kết quả của nội phối.
- Mức độ giao phối cận huyết trong quần thể được biểu diễn bằng hệ số cận huyết,
F, được tính theo phương trình:
fdị hợp tử quan sát thực tế = f dị hợp tử tính thep lí thuyết x (1-F) = 2pq x(1-F)
Trong đó f là tần số kiểu gen.
Từ công thức trên ta có F = 1 – fTT/fLT
(Khi F =1 thì tần số dị hợp quan sát thực tế = 0 tức là toàn bộ quần thể ở trạng thái
dị hợp tử).
- Quần thể nội phối n thế hệ, tỉ lệ kiểu gen Aa được tính theo công thức: 2pq(1-F)n

Trang 24


Bài 1: Trong một quần thể yến mạch hoang dại, tần số đồng hợp tử trội, dị hợp tử
và đồng hợp tử lặn tương ứng là: 0,67; 0,06 và 0,27. Hãy tính hệ số nội phối trong
quần thể.
Giải: Tần số các alen: p = 0,67 + (1/2)(0,6) = 0,7; q = 1 – 0,7 = 0,3
Tần số dị hợp tử theo lý thuyết: 2pq = 2(0,3)(0,7) = 0,42
Hệ số nội phối = 1 – (0,06/0,42) = 0,86
Bài 2: Một quần thể có tần số alen A là 0,6. Giả sử ban đầu quần thể đang đạt trạng
thái cân bằng di truyền. Sau một số thế hệ giao phối thấy tần số kiểu gen aa là
0,301696. Biết trong quần thể đã xảy ra nội phối với hệ số là 0,2. Tính số thế hệ
giao phối?
Giải: Tần số alen a là 0,4. Do quần thể đạt trạng thái cân bằng nên cấu trúc của
quần thể là: 0,36AA+ 0,48Aa + 0,16aa = 1.
Sau một số thế hệ giao phối, tần số aa là: 0,301696
=> Tần số kiểu gen aa tăng là:
0,301696 - 0,16 = 0,141696
=> Tần số Aa đã giảm là: 0,141696 x 2 = 0,283392.
=> Tần số Aa sau n thế hệ giao phối là: 2pq(1 - f)n = 0,48(1 - f)n = 0,48.0,8n
=> Tần số Aa giảm là: 0,48 – 0,48.0,8n = 0,283392
=> n = 4. Vậy số thế hệ giao phối là 4.
Bài 3: Quần thể ban đầu có thành phần kiểu gen 0,2 AA: 0,2 Aa: 0,6 aa. Alen A trội
hoàn toàn so với alen a. Biết có sự giao phối chọn lọc giữa các cá thể có cùng kiểu
hình, các cá thể mang kiểu hình lặn chỉ giao phối với các cá thể có kiểu hình lặn.
Tính thành phần kiểu gen của thế hệ F4.
Giải: Quần thể P có 0,5 AA: 0,5 Aa ⇒AA =

Trang 25

, Aa =

, aa =

.


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×