giáo trình cao học - Di truyền số lượng chương 6

Chương 6
CHỌN LỌC TRONG DI TRUYỀN QUẦN THỂ
Lý thuyết về chọn lọc tự nhiên được dựa trên một giả thuyết là một vài
kiểu di truyền trong quần thể có một tiến bộ nào đó đối với cái khác trong quá
trình sinh tồn và sinh sản (Li,
1982).
Trong đó sự chọn lọc có thể xảy ra một cách mạnh mẽ để có số tổ hợp
gen đang hoạt động trong từng cá thể. Đối với một locus, có ba alen thì có
sáu kiểu gen đang hoạt động trong cây lưỡng bội. Nếu xem xét 200 loci, sẽ
phải có 6200 kiểu gen có thể xãy ra. Nếu có
5000 loci trong 1 hợp tử (zygote), số lượng genotypes sẽ là một con số khổng
lồ. Do đó xác suất cho sự phối hợp gen là không có giới hạn. Điều đáng ngạc
nhiên là, không có hai cá thể nào (trừ sinh đôi) giống nhau một cách hoàn
toàn trong tất cả các gen, trong quần thể giao phối ngẫu nhiên. Do đó, trong
quần thể lớn, thời gian đã tạo cho nó trở thành một kho dự trữ khổng lồ về sự
biến dị (potential variability). Đặc tính nầy có thể được gọi là tính chất mềm
dẽo của một quần thể (plasticity).
Khi điều kiện môi trường thay đổi, các kiểu gen biểu hiện có thể
không còn thích hợp, nhưng một quần thể có tính chất “plastic” có thể
thông qua một sự tái hợp được gọi là “genotypical recombination” (tái
tổ hợp kiểu gen) để có những loại hình mới, có tính thích nghi hơn. Tính chất
thích nghi nầy biểu thị một sự đáp ứng cuả quần thể hơn là của cá thể.
Trong một quần thể lớn, sự chọn lọc có thể được xem như một lực quan
trọng nhất đáp ứng với sự thay đổi các tần suất gen.
Sự thay đổi nầy là bước đầu tiên cuả quá trình tiến hoá.
Trong hầu hết các phần sau đây, chúng ta sẽ xem xét mô thức đơn giản
nhất: một cặp alen đơn mà ảnh hưởng cuả nó đối với sự thích nghi của sinh
vật được giả định như độc lập đối với tất cả các loci khác.
6-1. PHƯƠNG PHÁP CHỌN LỌC
6-1-1. LOẠI TRỪ HOÀN TOÀN TÍNH LẶN
Bảng 6-1: Tỉ lệ của nhiều kiểu gen trong quần thể trước và sau khi chọn lọc

AA Aa aa tần suất cuả a
Trước khi chọn
lọc
Sau khi chọn
lọc
p2
p2
p2 +
2pq
2pq
2pq
p2 +
2pq
q2 q
0 q
1 +
q
Đây là quần thể giao phối
để tạo thế hệ kế tiếp
Thế hệ kế đo
trước khi chọn
lọc
1
(1 +
q)2
2q
(1 +
q)2
q2
(1 +

q)2
q
(1 + q)
Giả sử rằng các cá thể lặn (aa) của một quần thể giao phối ngẫu nhiên và
lớn, hoàn
toàn bị loại trừ khỏi quần thể và chỉ có những cá thể trội được phép giao phối,
sinh sản.
Như vậy, mối quan hệ giữa hai giá trị liên tục
cuả q là qn
2
qn+1 = ----- (1)
1 + qn
Thông số chung qn sau n thế hệ loại trừ hoàn toàn các cá
thể lặn sẽ là qo
qn = ----- (2)
1 + qo
Trong đó q0 là tần suất gen khởi đầu trước khi chọn lọc. Mức thay đổi cuả q
trong từng thế hệ
là
∆q
=
q − q = − q
1 +
q
1 + q
Thí dụ, có một sự loại trừ hoàn toàn một kiểu gen đồng hợp tử nào đó trong
tự nhiên có chứa gen gây chết (lethal) và gen bất dục (sterility). Giá trị q
giảm rất nhanh khi q lớn, mức độ giảm này kém đi khi q trở nên nhỏ. Cũng
như vậy, từ phương trình (2), chúng ta thấy qn=
1/2q0 khi nq0 = 1. Nói cách khác, tần suất gen bị giảm một nửa trong giai

đoạn n = 1 / q0 các thế hệ.
6-1-2. CHỌN LỌC KHÔNG HOÀN TOÀN ĐỂ LOẠI TÍNH LẶN
Giả sử các cá thể tính trội có nhiều ưu điểm trong chọn lọc. Đối với
con lai có chứa các gen trội, thì số con lai có chứa gen lặn là (1-s). Trong đó s
là số dương nằm giữa 0 và 1 thường được gọi là hệ số chọn lọc (coefficient
of selection) đối kháng lại tính lặn. Nó là một phép tính: cường độ chọn lọc.
Giá trị cuả biến s biến thiên rất lớn đối với những tính trạng khác nhau.
s = 1 đối với gen lặn gây chết (lethal). Đối với nhiều con ruồi
Drosophila thuộc loại nửía chết (semilethals), s ≤ 0.90, trong khi ở các tính
trạng không mong muốn khác s biến thiên từ 0.50 đến 0.10.
s = 0 đối với tính trạng trung tính (neutral), không tốt, không xấu.
Tỉ lệ con lai được tạo ra do dominants và recessives : 1 / (1-s) được gọi
là “fitness” (tính thích nghi), “giá trị sinh tồn”, “giá trị thích nghi”, “mức độ
sinh sản” của cả 2 nhóm cá thể. Ảnh hưởng chọn lọc không hoàn toàn trên
tần suất gen cuả quần thể giao phối ngẫu nhiên được trình bày như sau:
Bảng 6-2: Chọn lọc không hoàn toàn để loại các cá thể lặn
AA Aa Aa Tổng cộng
Tỉ số ban đầu p2
Relative fitness 1
2p
q
1
q2
1-
s
1
................
Sau khi chọn lọc p2 2pq q2(1-s) 1-sq2
Mối quan hệ giữa hai tần suất gen này:
và p

q (1 −
sq )
(4)
p = n
n+11 − sq
2 n
q = n n
n+1 1 − sq 2 n
Trong đó pn + qn = pn+1 + qn+1 = 1
Giá trị q giảm do việc chọn lọc cá thể aa
− sq 2 (1 − q)
∆q = q1 −
q =
1 − sq 2
q
q


e
e
(5
)
Chọn lọc với một cường độ định sẵn (s cố định) cho hiệu quả tốt nhất
đối với các tính trạng thông thường trong một quần thể, nhưng không có hiệu
quả đối với các tính trạng hiếm. Thí dụ, nếu s = 0.20 để loại cá thể aa, thì giá
trị ∆q sẽ là:
q 0.99 0.50 0.01
∆q
-0.00244 -0.0263 -
0.000019

Khi q quá nhỏ, ∆q = -sq2. Nếu chọn lọc ưu tiên cho cá thể lặn, công thức
sẽ đổi lại dấu
(1 - s) thành (1 + s).
6-1-3. CHỌN LỌC TỪ TỪ ĐỂ LOẠI TÍNH LẶN (slow selection)
Nếu hệ số chọn lọc để loại cá thể lặn nhỏ, sự thay đổi tần suất gen sẽ là
một quá trình xảy ra rất chậm chạp trong sự tiến hoá cuả nó.
Sự thay đổi q ở từng thế hệ do áp lực chọn lọc:
∆q = -sq2(1 - q)
∆q tối đa khi q = 2/3
Để tính ∆q, chúng ta thay nó bằng dq/dt, trong đó t là thời gian của mỗi thế hệ.
dq = −sq 2 (1 − q)
;
d
t
Trong n thế hệ:
d
q
q 2 (1
− q)
= −sdt
qn dq
∫ 2 (1 −
q)
n
= −s
∫
0
dt = −sn
sn =
 1

+
log e
qn
1 − q 
 =
1 −
1
+
log e
1 − qn −
log
1q
− q0
(7)
 q q

q
0
qn q0 qn q0
= q0 − qn
+ log
q0 qn
q0 (1 −
qn )
qn (1 −
q0 )
(7')
6-1-4. CHỌN LỌC Ở MỨC ĐỘ GIAO TỬ (GAMETIC) VÀ DỊ HỢP
TỬ TRUNG
GIAN (INTERMEDIATE HETEROZYGOTE)

Chọn lọc có thể xảy ra ở giai đoạn giao tử (gametic) nhiều hơn ở giai
đoạn hợp tử (zygotic stages). Người ta biết rằng một kiểu gamete nào đó sẽ
tạo nhiều thuận lợi cho việc thụ tinh sau nầy. Nếu sự đóng góp của giao tử A
và a vào thế hệ sau là 1: (1 - s), và tần suất cuả chúng trong quần thể là p và
q, theo thứ tự, thì trong thế hệ kế tiếp, tần suất này sẽ là p và q(1-s) theo thứ
tự.
p + q(1 -s ) = 1 - sq
∆q = q(1 − s) − q = −
sq(1 − q)
(8)
1 −
sq
1 − sq
q
n
e
0
Chọn lọc hợp tử trong trường hợp không có tính trội
AA Aa aa Tổng cộng
Tỉ số ban đầu p2
Mức thích nghi 1
tương
đối
2p
q
1-s
q2
1-
2s
1

...........
Sau khi chọn lọc p2 2pq(1-s) q2(1-2s) 1-
2sq
Tần suất trong thế hệ kế
tiếp:
∆q = q − sq(1 + s) − q = −
sq(1 − q)
(9)
1 −
2sq
1 − 2sq
Nếu s nhỏ (slow selection), mức giảm của q trong (8) và (9) là
∆q= -sq(1 - q)
Nói cách khác, chọn lọc loại các hợp tử (zygotes) trong điều kiện không
có tính trội thì cũng tương đương như chọn lọc loại bỏ trực tiếp các giao tử
(gametes).
qn
dq
∫
n
= −s dt = −sn
Do
đó:
q(1 −
q)
0

sn =
log
∫

0
q
1 − qn

=
log
q0 (1 −
qn )
(10)
 e 
 qn
 q
qn (1 − q0 )
Thí dụ: cho s = 0.01 trong trường hợp chọn lọc loại bỏ gen a (0.01 đối
với Aa và 0.02
đối với aa). Số thế hệ cần thiết để giảm q0 = 0.40 đến qn = 0.04
n = 100 x2.303
log
0.40 x0.96 = 277
10 0.04 x0.60
6-1-5. CÂN BẰNG KHI CHỌN LỌC CÁC DỊ HỢP TỬ CÓ ÍCH
Nếu giá trị thích nghi của các dị hợp tử có ưu thế hơn cả hai thể đồng
hợp tử (trội và lặn), thì trạng thái này sẽ khác hơn bốn kiểu chọn lọc trên đây.
Tần suất gen sẽ tiến đến một trạng thái cân bằng rất ổn định (stable
2
equilibrium value) thay vì tiến đến zero hoặc một giới hạn nào đó (Fisher
1922, 1930, Haldane 1926, Wright 1931).
pq + q2 = q
∆q
=

q − s2
q
− q
=
pq(s1 p −
s2 q)
(11)
1 − s p 2 −
s q 2
1 − s p 2 − s q 2
1 2 1 2
Khi s1p = s2q, tần suất gen sẽ không thay đổi ∆q = 0
p '
=
s
2
s1 +
s2
q '
=
s
1
s1 +
s2
(12)
Những giá trị cân bằng nầìy độc lập với tần suất gen ban đầu của quần
thể. Nó hoàn
toàn được xác định bởi các hệ số chọn lọc loại bỏ các đồng hợp tử
1
∑

∑
Bảng 6-3: Chọn lọc các dị hợp tử có ích
AA Aa aa Tổng cộng
Tỉ số ban
đầu
Relative
fitness
p2
1-
s1
2p
q
1
q2
1-
s2
1.00
.............
Sau khi chọn lọc p2(1-s1) 2pq q2(1-s2) 1-
s1p2-s2q2
Độ lệch (q - q’) trong một thế hệ là q - s1 /
(ss1+ s2) (s1 + s2)(q - q’) = (s1 +
s2)q - s1
(s1p - s2q) = s1 - (s1 + s2)q
Nếu cả s1 và s2 đều nhỏ, mẫu số của (11) gần bằng 1
∆q = -(s1 + s2)pq(q - q’) (13)
Kết quả (12) có thể được khái quát hoá trong trường hợp đa alen
(multiple alleles) (Wright 1949).
Giả sử tất cả dị hợp tử AiAj có cùng giá trị “fitness” và “fitness” cuả
đồng hợp tử AiAi

là 1 - si. Tần suất cuả những alen A1, A2, A3.... là q1,
q2, q3, ....... Tổng Σq = 1
(1 − s )
q12
∆q1 = 1
+ q1q2 + q1q3 + .... − q1
1 − s q12 − s q22 − s q32.....
1 2 3
q1[(1 − s q12 ) − (1 − siqi 2 )]
=
1 − ∑ siqi 2
qi[ siqi 2 − s1q1]
=
1 − ∑ siqi 2
Sự thể hiện đối với ∆q2 và ∆q3 giống như trên. Trong trạng thái cân
bằng, tất cả ∆qi =
0; cho nên siqi = Σsiqi2, hoặc :
s1q1 = s2q2 = s3q3 = .....
1 1 1
q1 : q2 : q3 : ... = ---- : ---- :
-----: ..... s1
s2 s3
1
.. q’i = ----- / Σ(1/si) (14)
s1
Nếu chỉ có hai alen, (14) sẽ trở thành (12)
Điều kiện trong đó sự chọn lọc các dị hợp tử có ích chỉ là một cách.
Đối với cách nầy, các alen định vị trên một locus có thể duy trì trong một
trạng thái cân bằng, ổn định và duy trì các tần suất sau đó trong cùng một
điều kiện môi trường. Kết quả nầy được biết với thuật ngữ