Lý thuyết trọng tâm

I. Bối cảnh ra đời thí nghiệm của Mendel

• Gregor Johann Mendel (1822 – 1884) là một nhà giáo, nhà khoa học tự nhiên người Czech, rất đam mê công tác chọn giống thực vật.
• Ông được giáo sư vật lí Christian Doppler dạy cách tiến hành thực nghiệm khoa học và dùng toán học để giải thích các hiện tượng tự nhiên; được nhà thực vật học Franz Unger khuyến khích tìm nguyên nhân gây ra biến dị ở thực vật.
• Đầu thế kỉ XIX, nhiều người tin vào thuyết di truyền pha trộn: cho rằng vật chất di truyền tồn tại dưới dạng chất lỏng (như máu) nên ở đời con có sự pha trộn vật chất di truyền của bố và mẹ.
• Qua quan sát thực tế, Mendel nhận thấy thuyết pha trộn chưa đúng vì nhiều đặc điểm được truyền nguyên vẹn qua các thế hệ mà không hòa trộn ở đời con.
• Ông tiến hành nhiều thí nghiệm (trên ong mật, đậu Hà Lan), từ đó bác bỏ thuyết di truyền pha trộn và đề xuất học thuyết di truyền hạt với hai quy luật di truyền cơ bản.

II. Thí nghiệm lai ở đậu Hà Lan

Mendel chọn đậu Hà Lan (Pisum sativum) làm đối tượng nghiên cứu vì: là cây tự thụ phấn, thời gian thế hệ ngắn, có nhiều giống thuần chủng với các đặc điểm khác biệt rõ rệt (màu hoa, chiều cao cây, hình dạng và màu hạt…), dễ lai tạo và một cây cho nhiều hạt.

1. Thí nghiệm lai một tính trạng

Bố trí thí nghiệm:

• Mendel tiến hành 7 phép lai một tính trạng với 7 tính trạng (màu hoa, hình dạng hạt, chiều cao cây, màu hạt, hình dạng quả, màu quả, vị trí hoa). Mỗi tính trạng có hai đặc tính khác biệt (ví dụ hoa tím – hoa trắng).
• Trước khi lai, ông tạo các dòng thuần chủng bằng cách cho cây có đặc tính riêng tự thụ phấn qua nhiều thế hệ.
• Các phép lai đều được thực hiện cả lai thuận và lai nghịch.

Kết quả (tính trạng màu hoa): P (tím thuần chủng × trắng thuần chủng) → F1 100% hoa tím → F1 tự thụ phấn → F2 phân li 75% tím : 25% trắng (3 : 1). Khi cho F2 tự thụ: $\dfrac{1}{3}$ số cây hoa tím cho đời con toàn hoa tím (thuần chủng), $\dfrac{2}{3}$ số cây hoa tím cho đời con phân li 3 : 1 (dị hợp). Xét về cấu trúc di truyền, F2 có tỉ lệ 1 : 2 : 1.

Giải thích kết quả: Ở F1 chỉ xuất hiện một đặc tính (trội), đến F2 đặc tính lặn tái xuất hiện → chứng tỏ vật chất di truyền không hòa trộn mà tồn tại độc lập trong tế bào → bác bỏ thuyết di truyền pha trộn.

Đề xuất giả thuyết: Mỗi tính trạng do một cặp nhân tố di truyền (ngày nay gọi là gene) quy định; các nhân tố tồn tại riêng rẽ, không pha trộn và được truyền nguyên vẹn qua giao tử. Mỗi cây F1 tạo ra hai loại giao tử với tỉ lệ bằng nhau, mỗi giao tử chỉ chứa một nhân tố di truyền. Sự kết hợp ngẫu nhiên của giao tử khi thụ tinh dẫn đến phân li tính trạng ở đời con. (Quy ước: chữ in hoa chỉ đặc điểm trội, chữ thường chỉ đặc điểm lặn.)

Kiểm chứng giả thuyết (lai phân tích): Cho cây F1 hoa tím lai với cây hoa trắng thuần chủng → đời con 1 tím : 1 trắng → chứng tỏ F1 tạo ra hai loại giao tử với tỉ lệ bằng nhau (một mang nhân tố trội, một mang nhân tố lặn). Kết quả tương tự với 6 tính trạng còn lại.

Quy luật phân li: Mỗi tính trạng do một cặp nhân tố di truyền quy định, một có nguồn gốc từ bố, một từ mẹ; các nhân tố tồn tại riêng rẽ, không pha trộn. Khi hình thành giao tử, các nhân tố di truyền phân li về giao tử nên mỗi giao tử chỉ chứa một nhân tố.

Cơ sở tế bào học của quy luật phân li:

Cặp nhân tố di truyền nằm trên cặp NST tương đồng. Qua nhân đôi NST, rồi phân li của cặp NST kép tương đồng ở giảm phân I và phân li của các chromatid ở giảm phân II, mỗi giao tử chỉ nhận một trong hai nhân tố di truyền quy định tính trạng.

2. Thí nghiệm lai hai tính trạng

Bố trí thí nghiệm: Mendel lai các cây thuần chủng khác nhau về hai tính trạng, ví dụ: P (hạt vàng, trơn × hạt xanh, nhăn).

Kết quả: F1 đồng loạt hạt vàng, trơn; F2 phân li kiểu hình theo tỉ lệ 9 : 3 : 3 : 1 (9 vàng-trơn : 3 xanh-trơn : 3 vàng-nhăn : 1 xanh-nhăn).

Giải thích kết quả: Hai cặp nhân tố di truyền quy định hai tính trạng phân li độc lập với nhau khi tạo giao tử → mỗi cây F1 tạo ra 4 loại giao tử với tỉ lệ ngang nhau. Sự kết hợp ngẫu nhiên khi thụ tinh tạo ra 16 tổ hợp ở F2, mỗi tổ hợp có xác suất $\dfrac{1}{16}$. Do nhân tố trội lấn át nhân tố lặn nên kiểu hình phân li 9 : 3 : 3 : 1.

Kiểm chứng (lai phân tích): Cho F1 (vàng, trơn) lai với cây thuần chủng (xanh, nhăn) → đời con 1 : 1 : 1 : 1 → phù hợp với giả thuyết.

Quy luật phân li độc lập: Các cặp nhân tố di truyền quy định các cặp tính trạng phân li độc lập với nhau trong quá trình hình thành giao tử.

Liên hệ di truyền học hiện đại: Mỗi cặp allele quy định một tính trạng tương ứng với một cặp nhân tố di truyền của Mendel. Các cặp allele nằm trên các cặp NST tương đồng khác nhau sẽ phân li độc lập trong giảm phân và tổ hợp ngẫu nhiên của giao tử tạo nên các tổ hợp gene khác nhau. Vì vậy, Mendel được coi là người đặt nền móng cho Di truyền học hiện đại.

Điều kiện để hai gene phân li độc lập: hai gene phải nằm trên hai cặp NST tương đồng khác nhau.

Công thức cốt lõi

Áp dụng cho các gene phân li độc lập, trội hoàn toàn:

• Số loại giao tử của một cơ thể có $n$ cặp gene dị hợp $= 2^n$ (cặp đồng hợp như AA, aa chỉ cho 1 loại giao tử).
• Số loại kiểu gene / kiểu hình của một phép lai $=$ tích số kiểu gene / kiểu hình của từng cặp gene.
• Quy tắc cho từng cặp: $Aa\times Aa \to$ 3 kiểu gene, 2 kiểu hình; $Aa\times aa \to$ 2 kiểu gene, 2 kiểu hình; $AA\times Aa \to$ 2 kiểu gene, 1 kiểu hình; $aa\times aa \to$ 1 kiểu gene, 1 kiểu hình.
• Số kiểu gene tối đa trong quần thể với $n$ gene, mỗi gene 2 allele, nằm trên các NST khác nhau $= 3^n$.

Quy tắc nhân xác suất: tỉ lệ một kiểu gene (hoặc kiểu hình) chung $=$ tích tỉ lệ của từng cặp gene riêng rẽ.

Tỉ lệ một loại trong một nhóm kiểu hình $= \dfrac{\text{tỉ lệ của loại đó}}{\text{tỉ lệ của cả nhóm}}$.

Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng 1: Tính số loại giao tử, số loại kiểu gene, số loại kiểu hình

Cách làm: Xét riêng từng cặp gene rồi nhân kết quả lại (vì các gene phân li độc lập). Nhớ: cặp dị hợp cho 2 loại giao tử, cặp đồng hợp cho 1 loại.

Ví dụ 1. Một cơ thể có kiểu gene $AaBBDd$ giảm phân bình thường cho bao nhiêu loại giao tử?

• Cặp $Aa$ (dị hợp) → 2 loại giao tử.
• Cặp $BB$ (đồng hợp) → 1 loại giao tử.
• Cặp $Dd$ (dị hợp) → 2 loại giao tử.
• Số loại giao tử $= 2\times 1\times 2 = \mathbf{4}$ loại.

Ví dụ 2. Phép lai $AaBBDdEe \times AaBbDdee$ tạo ra bao nhiêu loại kiểu gene ở đời con?

Xét từng cặp:

• $Aa\times Aa \to 3$ kiểu gene.
• $BB\times Bb \to 2$ kiểu gene.
• $Dd\times Dd \to 3$ kiểu gene.
• $Ee\times ee \to 2$ kiểu gene.

Số loại kiểu gene $= 3\times 2\times 3\times 2 = \mathbf{36}$ loại.

Ví dụ 3. Trong một quần thể, xét 3 cặp allele $(A,a),\ (B,b),\ (D,d)$ nằm trên 3 cặp NST khác nhau. Số kiểu gene tối đa trong quần thể là bao nhiêu?

Mỗi gene 2 allele → mỗi gene có 3 kiểu gene ($AA, Aa, aa$). Có 3 gene nên: $$\text{Số kiểu gene tối đa} = 3\times 3\times 3 = 3^3 = \mathbf{27}.$$

Dạng 2: Tính tỉ lệ kiểu gene, kiểu hình ở đời con và tỉ lệ một loại trong một nhóm kiểu hình

Cách làm: Tách riêng từng cặp gene, tính tỉ lệ rồi nhân lại. Khi đề hỏi “trong số cây có kiểu hình X, cây Y chiếm tỉ lệ bao nhiêu” thì lấy tỉ lệ của Y chia cho tỉ lệ của cả nhóm X.

Ví dụ 1. Ở một loài thực vật, allele $A$ (thân cao) trội hoàn toàn so với $a$ (thân thấp); allele $B$ (quả đỏ) trội hoàn toàn so với $b$ (quả vàng); hai cặp gene phân li độc lập. Cho cây dị hợp hai cặp gene tự thụ phấn ($AaBb \times AaBb$). Trong số cây thân cao, quả vàng ở đời con, cây thân cao, quả vàng dị hợp chiếm tỉ lệ bao nhiêu?

Bước 1 – Tách từng cặp:

• $Aa\times Aa \to \dfrac{1}{4}AA : \dfrac{2}{4}Aa : \dfrac{1}{4}aa$ ; thân cao $(A\text{-}) = \dfrac{3}{4}$.
• $Bb\times Bb \to \dfrac{1}{4}BB : \dfrac{2}{4}Bb : \dfrac{1}{4}bb$ ; quả vàng $(bb) = \dfrac{1}{4}$.

Bước 2 – Tỉ lệ nhóm thân cao, quả vàng $(A\text{-}bb)$: $$A\text{-}bb = \dfrac{3}{4}\times\dfrac{1}{4} = \dfrac{3}{16}.$$ Trong nhóm này có hai kiểu gene: $AAbb = \dfrac{1}{4}\times\dfrac{1}{4} = \dfrac{1}{16}$ (đồng hợp) và $Aabb = \dfrac{2}{4}\times\dfrac{1}{4} = \dfrac{2}{16}$ (dị hợp).

Bước 3 – Cây thân cao, quả vàng dị hợp là $Aabb$: $$\dfrac{Aabb}{A\text{-}bb} = \dfrac{2/16}{3/16} = \dfrac{2}{3} \approx \mathbf{0{,}67}.$$

Ví dụ 2. Xét hai cặp gene phân li độc lập, mỗi gene quy định một tính trạng, trội hoàn toàn. Phép lai P gồm hai cây đều có kiểu hình trội về cả hai tính trạng và mỗi cây dị hợp một cặp gene, lai với nhau cho F1 chỉ có một loại kiểu hình. Tính tỉ lệ cây có 3 allele trội ở F1.

Bước 1 – Xác định kiểu gene P: P đều trội 2 tính trạng và mỗi cây dị hợp 1 cặp; F1 chỉ 1 loại kiểu hình → hai cây phải dị hợp ở các cặp khác nhau: $$P:\ AaBB \times AABb.$$

Bước 2 – Tách từng cặp ở F1:

• $Aa\times AA \to \dfrac{1}{2}AA : \dfrac{1}{2}Aa$.
• $BB\times Bb \to \dfrac{1}{2}BB : \dfrac{1}{2}Bb$.

F1 gồm 4 kiểu gene, mỗi loại $\dfrac{1}{4}$: $AABB$ (4 allele trội), $AABb$ (3), $AaBB$ (3), $AaBb$ (2).

Bước 3 – Cây có 3 allele trội là $AABb$ và $AaBB$: $$\dfrac{1}{4} + \dfrac{1}{4} = \dfrac{1}{2} = \mathbf{0{,}5}.$$

Ví dụ 3. Một bệnh ở người do gene lặn $a$ nằm trên NST thường quy định. Một cặp vợ chồng đều bình thường; bố mẹ của hai người đều bình thường; người chồng có một em ruột bị bệnh, người vợ cũng có một em ruột bị bệnh. Tính xác suất cặp vợ chồng này sinh con đầu lòng bị bệnh.

Bước 1 – Xét người chồng: em ruột bị bệnh $(aa)$ → bố mẹ chồng đều $Aa$. Người chồng bình thường là con của $Aa\times Aa$ nên có tỉ lệ $\dfrac{1}{3}AA : \dfrac{2}{3}Aa$ → xác suất chồng mang kiểu gene $Aa$ là $\dfrac{2}{3}$. Tương tự, xác suất vợ là $Aa$ cũng là $\dfrac{2}{3}$.

Bước 2 – Con bị bệnh $(aa)$ chỉ khi cả bố và mẹ đều $Aa$ và cùng cho giao tử $a$: $$P(\text{con bệnh}) = \dfrac{2}{3}\times\dfrac{2}{3}\times\dfrac{1}{4} = \dfrac{4}{36} = \dfrac{1}{9} \approx \mathbf{0{,}11}.$$

Dạng 3: Xác định kiểu gene của P từ kết quả lai và bài toán tự thụ phấn, giao phấn ngẫu nhiên

Cách làm: Từ kiểu hình đời con suy ngược ra kiểu gene của P. Khi cho giao phấn ngẫu nhiên, hãy quy về tỉ lệ giao tử (tần số allele) của quần thể bố mẹ rồi tổ hợp lại (nhớ: cây $Aa$ cho $\dfrac{1}{2}A$ và $\dfrac{1}{2}a$).

Ví dụ 1. Allele $A$ (hoa đỏ) trội hoàn toàn so với $a$ (hoa trắng). Phép lai P: hoa đỏ × hoa đỏ → F1 toàn hoa đỏ. Cho F1 giao phấn ngẫu nhiên thì F2 xuất hiện cả hoa đỏ và hoa trắng. Tính tỉ lệ hoa trắng ở F2.

Bước 1 – Xác định kiểu gene P: F2 xuất hiện hoa trắng $(aa)$ chứng tỏ F1 phải có cây mang allele $a$ (kiểu gene $Aa$). Mà P đỏ × đỏ cho F1 toàn đỏ → P phải là $AA \times Aa$ (nếu $AA\times AA$ thì F1 toàn $AA$, giao phấn không ra hoa trắng).

Bước 2 – F1 từ $AA\times Aa$: $\dfrac{1}{2}AA : \dfrac{1}{2}Aa$. Tỉ lệ giao tử của F1: $A = \dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{2}\times\dfrac{1}{2} = \dfrac{3}{4}$ ; $a = \dfrac{1}{2}\times\dfrac{1}{2} = \dfrac{1}{4}$.

Bước 3 – F1 giao phấn ngẫu nhiên, tỉ lệ hoa trắng $(aa)$ ở F2: $$aa = \dfrac{1}{4}\times\dfrac{1}{4} = \dfrac{1}{16} = 0{,}0625 \approx \mathbf{0{,}06} \ (\text{tức } 6{,}25\%).$$

Ví dụ 2. Allele $A$ (hạt vàng) trội hoàn toàn so với $a$ (hạt xanh). Lai P thuần chủng (vàng × xanh) → F1 vàng → F1 tự thụ → F2 phân li $1AA : 2Aa : 1aa$. Lấy toàn bộ cây hạt vàng F2 cho giao phấn ngẫu nhiên, hãy dự đoán tỉ lệ kiểu hình ở F3.

Bước 1 – Cây hạt vàng F2 $(A\text{-})$ gồm: $\dfrac{1}{3}AA : \dfrac{2}{3}Aa$.

Bước 2 – Tỉ lệ giao tử của nhóm cây vàng F2: $A = \dfrac{1}{3} + \dfrac{2}{3}\times\dfrac{1}{2} = \dfrac{2}{3}$ ; $a = \dfrac{2}{3}\times\dfrac{1}{2} = \dfrac{1}{3}$.

Bước 3 – Giao phấn ngẫu nhiên → F3: hạt xanh $(aa) = \dfrac{1}{3}\times\dfrac{1}{3} = \dfrac{1}{9} \approx 0{,}11$; hạt vàng $= \dfrac{8}{9} \approx 0{,}89$. → Tỉ lệ kiểu hình F3 $\approx$ 8 hạt vàng : 1 hạt xanh.

Ví dụ 3. Allele $A$ (thân cao) trội hoàn toàn so với $a$ (thân thấp). Lai P thuần chủng (cao × thấp) → F1 cao → F1 tự thụ → F2. Trong số cây thân cao F2, cây khi tự thụ phấn cho đời con phân tính chiếm tỉ lệ bao nhiêu?

Bước 1 – Cây thân cao F2 gồm: $\dfrac{1}{3}AA : \dfrac{2}{3}Aa$.

Bước 2 – Cây cho đời con phân tính (đời con phân li) khi tự thụ phải là cây dị hợp $Aa$ (vì $AA$ tự thụ chỉ cho toàn thân cao, không phân tính). $$\text{Tỉ lệ cây cho đời con phân tính} = \dfrac{2}{3} \approx \mathbf{0{,}67}.$$

Lưu ý phân biệt: cây cho đời con phân tính = cây dị hợp ($\dfrac{2}{3}$); cây cho đời con đồng tính (toàn thân cao) = cây đồng hợp $AA$ ($\dfrac{1}{3}$). Đọc kỹ đề hỏi loại nào để tránh trả lời ngược.

Sai lầm thường gặp

Cô Nguyễn Ngọc Châu

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Sinh Học THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Sinh học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ AT sinh học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Trần Phú