Sinh vật chuyển gen - Phần II

SINH VẬT BIẾN ĐỔI GEN

Trần-Đăng Hồng, PhD

Phần II: Đại cương về di-truyền học

Phần này giúp đọc giả có thể hiểu bằng cách nào, từ một sinh vật đơn-bào thủy tổ tiến hóa trong vòng 3,5 tỉ năm thành 1,74 triệu loài sinh-vật đa dạng, phong phú hiện nay (1), như trong thế giới vi khuẩn (khoảng 5.000 loài), động vật (khoảng 1,37 triệu loài) và thực vật (khoảng 373 ngàn loài), và làm sao các đặc tính mới do thiên nhiên tuyển chọn thích nghi với môi trường được di truyền lại đời con cháu.

I. BỘ MÁY DI TRUYỀN

Sinh vật gồm vi khuẩn, thực vật và động vật cấu tạo bởi tế bào. Bộ máy di truyền là dây nhiễm-thể (chromosomes) dài chứa trong nhân (nucleus) ở tế-bào-có-nhân (Eukaryotic, như động vật, thực vật), hay có hình dạng tròn nhỏ ở tế-bào-không-nhân (Prokaryotic, như vi khuẩn, bacteria). Gen (gene), đơn vị di truyền, là một đoạn của dây nhiễm-thể được mã-hóa thông tin di truyền để tế bào sản xuất protein đặc thù cần thiết cho sự phát triển của sinh vật. Chính nhiễm-thể, hay đúng hơn là gen, giữ vai trò di truyền đặc tính từ cha mẹ đến con cái, và như thế tiếp tục từ thế hệ này qua thế hệ khác. Vì có những tác nhân bên trong và bên ngoài (như môi trường) tác động làm bộ máy di truyền biến đổi, nên các thế hệ sau có bộ máy di-truyền hoàn toàn khác hẳn với tổ tiên.

NHIỄM-THỂ.

Một nhiễm-thể (2) cấu tạo bởi 2 sợi nhiễm-sắc-tử (chromatids) đính nhau tại một điểm, gọi là trung-thể (Centromere), tạo dạng chữ X, gồm 2 nhánh ngắn và 2 nhánh dài (Hình 1). Nhiễm-sắc-tử là một sợi cấu trúc DNA (Deoxyribonucleic acid) rất dài, xoắn như một lò-xo, trên đó chứa hàng ngàn đơn vị di truyền gọi là gen.

 

Hình 1. Nhiễm-thể có dạng chữ X, gồm hai nhiễm-sắc-tử (1) đính nhau tại trung-thể (2) với 2 nhánh ngắn (3) và dài (4).

DNA (2, 3) thường thấy nhất là dạng hai sợi xoắn dạng lò xo quấn vào nhau theo đường xoắn ốc. Mỗi sợi là một chuỗi dài cấu tạo bởi 4 loại nucleotides. Mỗi nucleotide gồm có: một chất đường-chứa-năm-carbon (a five-carbon sugar), một nhóm phosphate, và một trong bốn bases là adenine (A), cystosine (C), guanine (G) và thymine (T). Cặp-base (base pair) là nơi nối kết giữa hai nitrogen bases của hai sợi DNA đối diện qua cầu hydrogen. Cặp-base chính là bậc thang (thanh ngang) của thang DNA (Hình 2).

Nếu kéo căng thẳng, tổng số chiều dài của DNA trong một nhân dài khoảng 2 m. Một phân tử DNA chứa từ 100 ngàn đến 10 tỉ nucleotides, tùy loại sinh vật. Tổng số chiều dài của 10 nhiễm-thể của bắp khoảng 15 m.

Hình 2. DNA với 2 chuỗi xoắn ốc, cấu tạo bởi các nguyên tử. Phần tử nối ngang là cặp-base

Tế bào cơ thể (somatic cells) thuộc nhị-bội (diploid) chứa 2 bộ nhiễm-thể (2n), gồm một bộ (n) từ giao-tử (gametes) của cha (tinh trùng, hay hạt phấn), một bộ (n) từ giao-tử của mẹ (trứng, hay bầu noãn).

Phân-bào-giảm-nhiễm (meiosis) (4) là một tiến trình biến một tế bào nhị-bội (chứa 2n) trong cơ quan sinh dục thành 4 giao-tử chứa 1n (tức tinh trùng, nhị đực, nhị cái).

Hình 3. Sơ đồ phân-bào-giảm-nhiễm từ nhân tế bào nhị-bội (2n) cho 4 giao-tử đơn-bội (n). Chú ý là 4 giao-tử này có bộ máy di truyền khác nhau, và khác hẳn với cả cha lẫn mẹ.

Ở tế bào nhị-bội (2n) trên mỗi nhiễm-thể có một nửa nhiễm-thể từ cha (n) và một nửa nhiễm-thể từ mẹ (n). Trong tiến trình phân-bào-giảm-nhiễm, mỗi nhiễm-thể chẻ đôi thành 2 nhiễm-thể con đồng nhất, rồi kết hợp ngẫu nhiên thành nhiễm-thể hình X. Vì nhiễm-sắc-tử của cha đính với nhiễm-sắc-tử của mẹ tại trung-thể, việc hoán đổi các nhánh của X, tạo ra nhiễm-thể mới, theo đó nhiễm-thể mẹ có chứa một đoạn của nhiễm-thể cha qua hiện tượng trao-đổi-chéo (crossing over) của hai nhiễm-sắc-tử. Phân bào I tạo 2 nhân con (daughter nuclei), mỗi nhân con đều chứa một phiên bản của cha và một phiên bản của mẹ. Trong phân bào II, 4 nhân con tức 4 giao-tử đơn-bội (n) được sinh ra, trong đó mỗi nhiễm-thể trong giao-tử là kết hợp DNA của cha và DNA của mẹ .

Chú ý, 4 giao tử này có bộ máy di truyền khác nhau, và khác hẳn với cả cha lẫn mẹ (Hình 3).

Khi thụ tinh, các giao tử cha (n) và giao tử mẹ (n) kết hợp lại thành hợp-tử (2n) tạo ra đời con, theo đó đời con có bộ máy di truyền khác hẳn với cha lẫn mẹ.

Nếu một sinh vật có 2 cặp nhiễm-thể (2n =4, như hình 3), nó sẽ cho 2² = 4 loại giao-tử có nhiễm-thể khác nhau. Nếu chúng thụ tinh, chúng sẽ cho 2² x 2² = 16 con hoàn toàn khác nhau về bộ-di-truyền.

Nếu một sinh vật có 23 cặp nhiễm-thể (2n=46, như loài người), giao-tử có 2²³ = 8.388.604 phối hợp nhiễm-thể khác nhau, và nếu con người có khả năng đẻ không hạn chế số lượng, sẽ đẻ được 2²³ x 2²³ = 70.368.744.177.644 (tức 70 ngàn tỉ) đứa con, mà không có đứa nào giống đứa nào về bộ máy di truyền.

Chính sự phân-bào-giảm-nhiễm trong sinh sản hữu tính (sexual reproduction) tạo sinh ra đa-dạng bộ máy di truyền, theo đó ở đời con cháu, bộ-di-truyền (hay nhân-hình, genotype) rất khác biệt, không ai giống ai. Như vậy, trong số hơn 7 tỉ người trên địa cầu hiện nay không có ai giống y hệt nhau về bộ-di-truyền, tuy có thể giống chút đỉnh về bộ-hình-thái (phenotype, hình dạng) (trường hợp song sinh).

Số nhiễm-thể. Số lượng nhiễm-thể chứa trong mỗi bộ khác nhau ở mọi loài.

Ở vi khuẩn, thông thường chỉ có một nhiễm-thể, nhưng vi khuẩn Vibrio cholerae gây bệnh cholera có 2 nhiễm-thể.

Ở động vật, loài người chứa 2n= 46, loài chó chứa 2n= 78, trong lúc loài kangaroo chỉ có 2n = 12 nhiễm-thể. Động vật chứa ít nhiễm-thể nhất là loài kiến Myrmecia pilosula, con cái chứa 2n =2 (nhị-bội), trong lúc con đực chỉ chứa 1n= 1 (đơn-bội). Động vật chứa nhiều nhiễm-thể nhất là cá chép (carp, 2n= 104).

Ở giới thực vật, lúa (Oryza sativa) có 2n= 24; đậu (bean) 2n=22. Thực vật có nhiều nhiễm-thể nhất là Rattlesnake fern (Botrypus virginianus, 2n= 184).

Hiện tượng đa-bội (Polyploidy) (5). Sinh vật có chứa trên 3 bộ nhiễm-thể gọi là đa-bội (Polyploid). Chẳng hạn tam-bội (ba bộ, 3x, triploid, như dưa hấu không hột), tứ-bội (2n= 4x, tetraploid, như bông vải), lục-bội (2n= 6x, hexaploid, như lúa mì), bát-bội (2n= 8x, octaploid, như hoa dahlias), thập-bội (2n= 10x, decaploid, như dâu tây strawberry), hay thập-nhị-bội (2n= 12x, dodecaploid như Celosia argentea).

Trong một loài, có thể có nhiều đa-bội. Chẳng hạn cỏ alfalfa (Medicago sativa) hoang dại là nhị-bội (2n = 16), nhưng giống canh tác là tứ-bội (2n = 4x = 32). Lúa kiều mạch (oat, Avena sativa) là loại lục-bội (2n=6x= 42), tuy nhiên vẫn có kiều mạch nhị-bội (2n=14), và tứ-bội (2n=4x=28). Lúa mì (wheat) thì lục-bội (2n=6x= 42), còn lúa mì cứng (Durum wheat, Triticum turgidum var. durum), thì tứ-bội (2n=4x=28).

Đa-bội cũng thấy xảy ra ở động vật (như cá vàng goldfish, cá hồi salmon), nhưng thường thấy nhiều ở thực vật, nhất là loài dương xỉ (fern).

Hiện tượng đa-bội là một trong các nguyên nhân của đa-dạng và phong phú ở thực vật, vì khoảng 30 – 80% thực vật thuộc đa-bội. Chính đa-bội tạo ra các loài mới (new species, speciation) trong tiến trình tiến-hóa, thấy khoảng 15% ở thực vật hiển-hoa, và 31% ở dương-xỉ.

Cây đa-bội thường có cường-tính cao (heterosis), kích thước cây hay trái lớn hơn, bản chất thích-nghi mạnh nên có khả năng sinh tồn mảnh liệt ở môi trường mới, hậu quả là tạo thành các loài cây bản-địa đặc thù riêng của môi trường đó. Chẳng hạn, cây Lomatia tasmanica đặc thù và rất hiếm, chỉ thấy ở Tasmania (Úc), là một tam-bội (3n) vì các loài nhị-bội thân tộc đã bị diệt chủng do không thích nghi được ở môi trường Tasmania. Vì số nhiễm thể lẻ (3n, tam bội) Lomatia tasmanica có hoa, nhưng không có trái và hạt. Nó truyền giống bằng vô tính, bằng cách nhảy cây con từ rễ, gốc hay cành. Cây Sequoia sempervirens ở Bắc Mỷ sống sót được vì nhờ đặc tính thích nghi cao do lục-bội (2n= 6x = 66) trong lúc thân tộc nhị-bội bị diệt chủng.

Đa-bội xảy ra trong thiên nhiên do phân-bào-giảm-nhiễm không thành công, giao-tử vẫn giữ nhị-bội (2n), nên khi thụ phấn tạo cây tứ-bội (4n). Đa-bội có thể tạo bằng hóa chất như colchicine hay oryzalin, hay do nhiệt-độ biến đổi đột ngột, nhất là bị lạnh đột ngột làm phân-bào-giảm-nhiễm không hoạt động thành công được.

GEN

Gen (6) là một đoạn (hay nhiều đoạn) của một nhiễm-thể, tương ứng với một hay nhiều chuỗi (sequence) DNA mang mã thông tin cần thiết để sản xuất protein đặc thù, và protein này thực hiện một phận sự đặc biệt nào đó trong tế bào. Các gen khác nhau ở chuỗi bases.

Cho một đặc tính di truyền (trait), cần có một cặp gen chi phối, mỗi gen nằm trên một nhiễm-thể (bởi vì 2n), gen này gọi là allele. Nếu cả 2 alleles này y hệt nhau, gọi là đồng-hợp-tử (homozygote), nếu chúng khác nhau gọi là dị-hợp-tử (heterozygote), trong đó có một allele ưu tính (dominant, viết chữ hoa), và allele kia liệt tính (recessive, viết chữ thường). Chẳng hạn, hình dạng hạt đậu do 2 alleles chi phối, một allele cho hạt tròn ưu tính (R), allele kia cho vỏ nhăn nheo liệt tính (r). Allele ưu tính được thể hiện, còn allele liệt tính thì bị che khuất. Vì vậy, hạt đậu tròn có cặp alleles (RR) hay (Rr), còn hạt nhăn có cặp allele liệt tính (rr).

Gen kiểm soát các đặc tính di truyền, và toàn bộ gen bên trong hệ-gen được gọi là bộ-di-truyền (genotype). Ngược lại, những đặc tính thể hiện quan sát được qua hình dạng gọi là bộ-hình-thái (phenotype). Trong ví dụ trên về hình dạng hạt đậu, thì bộ-di-truyền là RR, Rr và rr; nhưng chỉ xuất hiện 2 hình dạng là hạt tròn và hạt nhăn trong bộ-hình-thái.

Hệ-gen (hay hệ-di-truyền, khung-di-truyền, Genome) (7) là tổng số gen chứa trong nhiễm-thể của tế bào. Như vậy, hệ-gen ở tế bào cơ thể có số lượng gen gấp 2 lần ở giao-tử.

Kích thước của một gen hay toàn thể hệ-gen của một sinh vật thường đo bằng cặp-base (base pairs) bởi vì DNA thường có 2 sợi. Như vậy tổng số cặp-base bằng tổng số nucleotides ở trên một sợi. Cặp-base là nơi nối kết giữa hai nitrogen bases của hai sợi DNA đối diện qua cầu hydrogen; đó chính là bậc thang nối giữa 2 sợi (Hình 2).

Con người (Homo sapiens) có 23 cặp nhiễm-thể (n= 23), trong số đó có 22 cặp nhiễm-thể thường, và 1 cặp nhiễm-thể giới tính. Hệ-gen đơn-bội ở Người chứa 3,2 tỉ cặp-base, và khoảng 21.000 gens, trong số này chỉ có 1,5% gen có mã-di-truyền chỉ định sản xuất protein.

Loài chuột có hệ-gen lớn hơn, tới 3,4 tỉ cặp-base và khoảng 23.000 gen ở tế bào đơn-bội.

Loài cá phổi (marbled lungfish, Protopterus aethiopicus) là động vật xương sống có hệ-gen lớn nhất, chứa 130 tỉ cặp-base DNA.

Hệ-gen biến đổi rất nhiều ở sinh-vật tế-bào-có-nhân, từ 2,3 triệu cặp-base ở ký sinh Encephalitozoon intestinalis, cho tới 1,4 tỉ cặp-base ở loài amib Chaos chaos. Riêng amib tí hon Amoeba dubia có hệ-gen 700 tỉ cặp-base, lớn 200 lần hệ-gen con người.

Trong thế giới virus E. coli, với cả ngàn loài, riêng loài E. coli φX174 có hệ-gen 5.346 cặp-bases với 11 gen; trong lúc E. coli O157:H7 với hệ-gen 5.440.000 cặp-bases với 5.411 gen.

Trong giới thực-vật, cải Arabidopsis thaliana có 115,4 triệu cặp-base với khoảng 28.000 gen, trong lúc loài hoa Paris japonica có tới 150 tỉ cặp-base. Lúa (Oryza sativa) có 12 cặp nhiễm-thể, có kích thước hệ-gen là 389 triệu cặp-base với khoảng 37.544 gen. Giống cà chua hoang dại (Solanum pimpinellifolium) có 35.000 gen phân phối trên 12 nhiễm-thể. Bắp có 32,540 gen phân phối trên 10 nhiễm-thể

Sinh vật có số gen lớn nhất là một protozoan gây bệnh trichomoniasis có 60.000 gen, gấp 3 lần số gen ở loài người.

Bởi vì mọi sinh vật trên địa cầu phát xuất từ một tổ tiên chung là một sinh vật đơn bào, vì vậy chúng cùng chia chung một số gen của thủy tổ, và sự khác biệt tùy theo tính “bà con” xa hay gần.

Chẳng hạn, loài khỉ đột chimpanzee và loài người có họ hàng thân cận nhất có cùng chung 98,5% hệ-gen, trong lúc các loài khỉ khác chỉ giống từ 95% đến 98% hệ-gen. Họ hàng xa như loài chuột cũng có chung tới 88% và loài gà tới 75% hệ-gen với loài người. Khoảng 1/3 hệ-gen của loài ruồi Drosophila melanogaster chứa gen chung với các loài tiết-túc (arthropod, côn trùng chân có khớp), và ¼ số gen của loài người có cùng chung với động vật có xương sống.

Con người và cây chuối (banana) hay tảo Chlamydomonas có cùng chung 35% hệ-gen, và với cây cà rốt có cùng chung khoảng 15% gen.

Cũng vậy, có một số gen ở loài ruồi, cây cối hay trùn hoạt động y hệt như gen ở loài người, nên chúng được xử dụng nghiên cứu sinh học cho con người.

Không phải tất cả gen trong hệ-gen đều cần thiết cho sự sống. Chẳng hạn trong số 485 gen-mã-hóa của Mycoplasma genitalium thì chỉ có 381 gen cần thiết cho sự sống mà thôi

LÀM CÁCH NÀO GEN HOẠT ĐỘNG DI-TRUYỀN

Gen có nhiệm vụ truyền lại đời con những đặc tính của cha và mẹ. Các đặc tính này tiềm tàng trong các gen, tức đoạn DNA mã-hóa trên dây nhiễm-thể trong giao tử. Khi thụ tinh, giao tử cha phối hợp với giao tử mẹ, tái tạo lại thành hợp-tử (trứng), trong đó có chứa gen của cha và gen của mẹ. Các gen này có nhiệm vụ cuối cùng là sản xuất protein đặc-thù cần thiết cho phát triển đặc-tính (trait) riêng biệt ở đời con. Như vậy, trước khi tạo giao tử (trong phân bào giảm nhiễm) DNA chứa gen trước nhất phải được sao chép (phiên mã, transcribed) từ DNA của cha hay mẹ để cho mRNA (messenger RNA, thông tin RNA); và, thứ hai, ở hợp-tử, mRNA phải được giải-mã (translated) để ra lệnh sản xuất protein đặc thù.

Tuy nhiên, không phải gen lúc nào cũng hoạt động. Nó chỉ hoạt động đúng thời điểm. Trong lúc một sinh vật phát triển từ trứng (hợp tử), hàng ngàn gen phối hợp nhịp nhàng, gen nào hoạt động trước, gen nào hoạt động sau theo mệnh lệnh, như trong một ban nhạc dưới quyền điều khiển của nhạc trưởng.

Chẳng hạn, để ra hoa, cây cần tới vài ngàn gen lần lượt hoạt động. Trước nhất, một số gen ra lệnh cây ngừng tăng trưởng để dành năng lượng vào bộ máy sinh dục tạo hoa. Sau đó, một số gen ra lệnh tạo khối-sơ-khởi (primordium), rồi một số gen khác ra lệnh tế bào khối-sơ-khởi sinh sản và phân liệt lần lượt tạo đế hoa, tràng hoa, cánh hoa, ống nhị và phấn hoa, bầu noãn, v.v. để thành một hoa đầy đủ bộ phận. Nếu bộ máy di truyền thiếu một số gen nào đó, hoa sẽ biến dị, sẽ thiếu một hay nhiều bộ phận nào đó. Chẳng hạn, hệ gen thiếu nhóm gen AP1 (khoảng trên 1000 gen) thì cây không có hoa, cây tiếp tục tăng trưởng. Nếu cả hai nhóm gen AP1 và CAL không hoạt động, hoa tiếp tục phát triển các bộ phận thành hình dạng của bông cải (cauliflower) hay broccoli.

Chuổi DNA có thể biến đổi bởi hiện tượng đột-biến (mutation), và sinh ra allele mới. Nếu đột-biến xảy ra trong một gen, allele mới ảnh hưởng đến đặc tính mà gen đó kiểm soát, làm biến đổi bộ-hình-thái

Thông thường một đặc tính do nhiều gen qui định.

Hiện tượng đột-biến (Mutation). Đột-biến (8) là biến đổi chuỗi DNA của hệ-gen trong tế bào. Kết quả của đột-biến có thể là không có ảnh hưởng gì hết, hoặc có thể làm biến đổi sản phẩm của gen, hoặc có thể ngăn cản gen không hoạt động. Hậu quả của hiện tượng đột-biến thường là tác hại, tuy nhiên một số rất ít có lợi ích.

Nếu một mảng lớn của nhiễm-thể chứa rất nhiều gen bị đột-biến, và khi nhiễm-thể bị chia đôi rồi tái hợp (recombination) trong hiện tượng phân-nhiễm-giảm-thể, các phiên bản nhóm gen mới được đưa vào hệ-gen, và tạo ra loài mới. Nhờ vậy, kích thước hệ-gen gia tăng ở loài sinh vật mới, mang đặc tính mới. Điều này rất quan trọng bởi vỉ đa số gen mới được tiến hóa trong vòng nhóm gen đã có sẵn di truyền từ một tổ tiên chung. Chẳng hạn, con mắt người xử dụng 4 gen để tạo cơ cấu cảm nhận ánh sáng, trong đó 3 gen cảm nhận màu sắc, và 1 gen để nhìn thấy ban đêm. Cả 4 gen này là do đột-biến từ một gen của thủy tổ.

Đột-biến cũng tạo ra gen mới có nhiệm vụ mới, khác với gen thủy tổ.

Đột-biến được tạo ra bởi ảnh hưởng của phóng-xạ (radiation), tia-cực-tím (ultra violet), siêu-vi-khuẩn, hiện tượng thay đổi vị trí (transposons) của đoạn nhiễm-thể, và hóa chất (như NH₂OH, BrdU, N-ethyl-N-nitrosourea, ochratoxin A metabolites, ethidium bromide, Ethyl methanesulfonate (EMS), và Dimethyl sulfate (DMS), cũng như do rối loạn phân-bào-giảm-nhiễm. Đột biến cũng có thể tự nhiên xảy ra do hóa trình đột-biến-quá-mạnh (hypermutation) trong tế bào.

Trao đổi gen (Gene exchange). Các gen cũng có thể được trao đổi giữa các tập đoàn đồng loại hay giữa các chủng loại khác nhau qua các giao phối để tạo loài mới. Chẳng hạn hạt phấn của loài cỏ kháng phèn bay xa đến lai tạo với loài cỏ cảm nhiễm chất phèn ở một vùng khác, hay ngược lại, tạo ra vô số các giống, loài cỏ mới, mà độ kháng phèn biến thiên từ không, qua yếu, đến mạnh. Thú vật, cũng vậy, hệ-gen cũng được trao đổi giữa chuột núi và chuột duyên hải qua các tiếp xúc giữa 2 tập đoàn.

Chuyển-gen (Gene transfer) cũng được thực hiện tự nhiên từ sinh vật này đến sinh vật khác, cùng loài hay khác loài. Thuốc trụ sinh không tiêu diệt được hết 100% mầm bệnh. Vi khuẩn nào sống sót, kháng được thuốc trụ sinh này vì nhờ có sẳn gen-kháng-thuốc hay tạo được gen-kháng-thuốc do đột-biến. Chỉ sau vải thế hệ, gen-kháng-thuốc này được phát tán và chuyển gen hay trao-đổi-gen này vào cơ thể của vi khuẩn khác, và cuối cùng cả tập đoàn vi khuẩn trở thành kháng thuốc trụ sinh.

Trong thiên nhiên, gen của vi-khuẩn (1 tế bào, không nhân) cũng có thể chuyển tới sinh vật đa-bào có nhân. Chẳng hạn gen của men Saccharomyces cerevisiae xâm nhập vào hệ-gen của bọ Callosobruchus chinensis. Tương tự như vậy, trong hệ-gen của con bọ nước bdelloid rotifers có gen của vi khuẩn, nấm và thực vật. Siêu-vi-khuẩn (virus) có khả năng chuyển gen vào hệ-gen của ký chủ.

Gen từ động vật cũng có thể chuyển đến thực vật. Cách đây 23.000 năm, một mảnh DNA chứa gen mang tên Hopscotch của loài ruồi trái cây Drosophile được chuyển vào hệ gen của cỏ teosinte (Zea mays ssp. Parviglumis), làm biến đổi hệ-gen cây này, làm cây có trái lớn hơn, nhiều hột hơn, cây ít nhánh hơn, Chính cây biến-gen tự nhiên này là tổ tiên của loài bắp ngày nay.

Allele cũng có thể biến đổi từ thế hệ này đến thế hệ khác. Vì ảnh hưởng của tuyển chọn bởi thiên nhiên và thích nghi ngoại cảnh, một cộng đồng có thể phân ly thành 2 cộng đồng xa rời nhau về bộ-di-truyền và bộ-hình-thái vì chúng nay có bộ allele khác nhau.

Hiện tượng trao-đổi-chéo (crossing over) và liên-kết (linkage). Khi các gen chi phối các đặc tính di truyền khác nhau nhưng nằm kế cận nhau trên dây nhiễm-thể, vẫn đi chung một nhóm với nhau khi phân-bào-giảm-nhiễm và tái-tạo di truyền (recombination) ở đời con cháu. Hiện tượng này gọi là liên-kết. Ví dụ, ở loài ruồi trái cây, các gen chi phối màu mắt và các gen chi phối chiều dài cánh lúc nào cũng đi chung với nhau khi di truyền ở các thế hệ sau, vì hai nhóm gen này nằm kế cận nhau trên nhiễm-thể. Ngược lại khi các gen chi phối các đặc tính di truyền khác nhau nhưng nằm ở các vị trí cách xa nhau trên dây nhiễm-thể, nhất là ở bên này và bên kia trung-thể, có nhiều cơ hội tách riêng nhau khi phân-bào giảm-nhiễm, trước kia 2 gen nằm trên cùng một nhiễm-thể, sau khi phân bào, nay mỗi gen nằm trên một nhiễm-thể riêng. Hiện tượng này gọi là trao-đổi-chéo (hình 3), tạo ra hệ-gen mới ở giao-tử.

Lai-giống. Trong thiên nhiên, việc lai-giống (hybridization) giữa 2 sinh vật cùng loài (species, như lúa IR8 với lúa Tàu hương, cùng trong loài Oryza sativa), hay giữa hai loài cùng trong một giống (genus, genera) (Interspecific hybrids, như Oryza sativa lai với Oryza rufipogon), hay giữa hai giống (genera) cùng họ (family) (Intergeneric hybrids, như Fatshedera lizei, là cây lai giữa Hedera helix và Fatsia japonica) thường xảy ra và tạo ra những giống mới. Thông thường lai giữa hai loài cùng giống, cũng như giữa hai giống cùng họ thường cho hạt phấn hữu thụ chỉ 0-30%, và cho ra hột hữu thụ tối đa 1-2% ở thế hệ F1. Trong thiên nhiên, lai giữa Helianthus annuus x Helianthus petiolaris (hướng dương) hay Pinus contorta x Pinusbanksiana (thông) xảy ra mặc dầu cho hạt hữu thụ rất thấp, nhưng chính các hạt này nảy sinh ra các loài mới. Giống lai có thể hữu thụ (fertile, tạo ra hạt) hay bất thụ (sterile, không cho hạt).

Hình 4. Cây lai thiên nhiên giữa hai giống (natural Intergeneric hybrid) (hình giữa) giữa Arachnorchis gardneri (trái) và Caladenia latifolia (phải) cùng trong họ Hoa Lan (Orchidacea) thấy ở Tây Úc.

Lúa mì (wheat) là cây lai thiên nhiên giữa 3 loài Triticum monococcum, Aegilops speltoides và Aegilops tauschii, xảy ra trong thiên nhiên cách đây hàng vài chục ngàn năm ở vùng Tây Á. Ngược lại lúa mì Triticale (× Triticosecale), là do lai nhân tạo giữa lúa rye (Secale cereale) và lúa mì (Triticum) vào năm 1873.

Lai giữa các động vật khác loài tương đối khó và ít xảy ra trong thiên nhiên vì thường cho con bất thụ, nên không truyền giống được, chẳng hạn như con la (mule, 2n= 63) là con lai giữa ngựa cái (horse, Equus ferus caballus, 2n= 64) và con lừa đực (donkey, Equus africanus asinus, 2n= 62).

Tuy nhiên, trong nhóm thực vật, lai giữa các loài rất thường xảy ra trong thiên nhiên, tạo ra giống mới và góp phần vào đa-dạng-sinh-học.

Tóm lại, trong thiên nhiên chính nhờ các hiện tượng trao-đổi-chéo (crossing-over) khi phân-bào-giảm-nhiễm, chuyển-gen từ sinh vật này sang sinh vật khác, nhất là từ virus, hay vi-khuẩn sang ký chủ, trao-đổi-gen, đột-biến, v.v... làm biến đổi gen và hệ-gen. Hiện tượng đa-bội, lai-tạo làm biến đổi hệ-gen, làm gia tăng số nhiễm-thể, sinh vật gia tăng cường-tính, dễ thích nghi môi trường mới. Tất cả các hiện tượng di truyền xảy ra trong thiên nhiên nói trên đều góp phần tạo loài mới, giống mới, và càng ngày càng phức tạp, đa dạng và phong phú.

Và, như vậy con người chuyển gen nhân tạo trong kỹ thuật sinh học di truyền (genetic engineering) cũng chỉ bắt chước thiên nhiên kỳ diệu mà thôi, chứ không có gì trái với luật thiên nhiên.

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÁNH

1. Liz Osborn (2010). Number of Species Identified on Earth.

http://www.currentresults.com/Environment-Facts/Plants-Animals/number-species.php

2. Wikipedia. Chromosome. http://en.wikipedia.org/wiki/Chromosome

3. Philip Cohen (2006). Faq: Genetics.

http://www.newscientist.com/article/dn9965-faq-genetics.html

4. Wikipedia. Meiosis. http://en.wikipedia.org/wiki/Meiosis

5. Wikipedia. Polyploid. http://en.wikipedia.org/wiki/Polyploid

6. Wikipedia. Gene. http://en.wikipedia.org/wiki/Gene

7. Wikipedia. Genome. http://en.wikipedia.org/wiki/Genome

8. Wikipedia. Mutation. http://en.wikipedia.org/wiki/Mutation

Mời đọc:

Phần I. Tuyển chọn bởi thiên nhiên

Phần II. Đại cương di-truyền học

Phần III. Tuyển chọn bởi con người

Phần IV. Lai-tạo DNA hay Kỹ Thuật Chuyển Gen

Phần V. Cây hoa màu biến-đổi-gen

Phần VI. Chống đối sinh-vật biến-đổi-gen

Phần VII. Tranh luận sinh-vật biến-đổi-gen