Giáo trình Di truyền thực vật đại cương - Phạm Thị Ngọc

Nội dung text: Giáo trình Di truyền thực vật đại cương - Phạm Thị Ngọc

1. 7/18/15 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nơng Học ) - Học Viện Nơng Nghiệp Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO • Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân. Cơ sở di truyền DI TRUYỀN THỰC VẬT ĐẠI CƢƠNG học, 1998 • Phạm Thành Hổ. Di truyền học, 2007 • Nguyễn Hồng Minh. Di truyền học, 1999 • Gardner E.J., Principles of Genetics, 1991 Giáo viên: Phạm Thị Ngọc Số đt: 097.267.32.09 I. Đối tƣợng và nhiệm vụ của di truyền học, MỞ ĐẦU thế nào là di truyền học hiện đại • Di truyền học nghiên cứu hai tính chất cơ bản, gắn liền của cơ Mục tiêu: thể sống: tính di truyền và tính biến dị. • Khái quát mơn học • Sự thống nhất biện chứng của hai tính chất này thể hiện ở tất cả các mức độ tổ chức của sự sống: phân tử, tế bào, cá thể và • Vị trí của các mơn học trong các mơn cơ sở quần thể. • Ý nghĩa đối với chọn giống, nơng nghiệp hiện • Mọi cấu trúc đặc trưng và hoạt động trao đổi chất của cơ thể sống đều được kiểm tra bởi các gen. đại. Như vậy di truyền học hiện đại là mơn khoa học nghiên cứu về gen ở các cấp độ khác nhau. 1.Về phương diện lý luận, di truyền học tập trung giải 2. Về phương diện ứng dụng, di truyền học tập trung giải quyết những vấn đề cơ bản sau: quyết những vấn đề cơ bản sau: a) Vấn đề tàng trữ thơng tin di truyền (TTDT): Nghiên cứu về cơ sở vật chất, cấu trúc, tổ chức của bộ máy di truyền: - Ứng dụng những cơ sở lý luận về di truyền để tuyển chọn ra gen - NST- genome - cấu trúc di truyền của quần thể. những phương thức lai tối ưu nhất, phù hợp với từng đối b) Vấn đề thực hiện TTDT: tượng cụ thể. Cơ sở biểu hiện của gen, điều hồ hoạt động của gen, vấn đề thể hiện kiểu hình của tính trạng trong mối tương tác kiểu gen - mơi trường. -Tuyển lựa ra những phương thức chọn lọc hiệu quả nhất để c) Vấn đề về cơ chế truyền đạt TTDT qua các thế hệ: thu sản phẩm: tế bào, dịng, quần thể Cơ chế phát sinh các dạng đột biến, cơ chế biến đổi định hướng, - Điều khiển sự phát triển của tính trạng di truyền chuyển nạp gen - Gây các đột biến thực nghiệm, chuyển nạp gen, bảo vệ và sửa chữa những hỏng hĩc di truyền. 1
2. 7/18/15 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nơng Học ) - Học Viện Nơng Nghiệp Việt Nam II. Các giai đoạn phát triển của di truyền học. - Darwin (1809-1882) - Thuyết pangen: 1. Giai đoạn trước Menđen và sự ra đời cơng trình của Menđen: Mỗi phần của cơ thể đều sinh sản ra những phần tử nhỏ gọi - Thế kỷ thứ V trước CN: là chất mầm (genmule), từ các phần của cơ thể chúng theo + Hippocrate (thuyết di truyền trực tiếp) máu tập trung vềcơ quan sinh dục, qua đĩ các tính trạng Vật liệu sinh sản được thu nhận từ tất cả các phần của cơ thể được truyền đạt cho hậu thế. Mỗi cá thể sinh ra do sự hồ tất cả các cơ quan đều trực tiếp ảnh hưởng tới các tính trạng của hậu thế. hợp đặc tính di truyền của cả bố và mẹ. - Thế kỷ thứ IV trước CN: -1865 Menđen - các thí nghiệm lai ở thực vật: Vật liệu sinh sản khơng thu nhận từ các bộ phận của cơ thể mà Međen đã chứng minh: sự di truyền cĩ tính giai đoạn, được được tạo ra từ chất dinh dưỡng, mà về bản chất chúng ấn định kiểm tra bởi các nhân tố di truyền mà sau này gọi là gen cho sự cấu tạo các phần khác nhau của cơ thể. đạt nền mĩng cho sự phát triển của di truyền học. 2. Giai đoạn phát triển của di truyền học kinh điển: 3. Sự phát triển của di truyền học phân tử và kỹ - 1900, Hugo de Vries (Hà Lan), Erich Karl Correns (Đức) và E. von thuật di truyền: Tschermark (Áo) độc lập phát hiện ra các quy luật Menđen 1900 - năm khai sinh của di truyền học. -1944, O. Avery, MC Leod và Mc Carty chứng minh ADN là vật -1902, W. Bateson và L. Cuenot: chứng minh quy luật Menđen ở động vật. chất di truyền -> sự ra đời của di truyền học phân tử. - 1909 W. Bateson dẫn tới 100 tính trạng ở thực vật và động vật di truyền theo các quy luật Menđen. -1953, J. Oatson và F. Cric phát minh ra mơ hình cấu trúc phân - 1901, Hugo de Vries đưa ra thuyết đột biến. tử của ADN. - Đầu thế kỷ 20 hình thành các quan điểm đầu tiên về vai trị cảu NST đối với sự di truyền. - Những năm 60 xác định tồn bộ 60 codon - 1911, T.H. Morgan và cs xây dựng thuyết di truyền NST - 1961, F. Jacod, J. Monod đưa ra mơ hình operon giải thích cơ - 1920, N.I.Vavilov (Nga) thiết lập quy luật “dãy biến dị tương đồng”. - 1925, G.A.Nadson và G.S. Philipov phát hiện ảnh hưởng gây đột biến chế điều hồ sao mã ở vi khuẩn nghiên cứu về cơ chế điều phĩng xạ hồ hoạt động của gen. - 1933, T. Painter phát hiện ra NST khổng lồ -> cơ sở cho nghiên cứu đột biến cấu trúc NST và thiết lập bản đồ tế bào học của NST. - Từ những năm 70 nhiều tri thức mới trong di truyền ra đời. III. Các phƣơng pháp nghiên cứu di truyền: IV. Ý nghĩa của di truyền học đối với chọn • Phương pháp lai giống và phát triển một nền nơng nghiệp bền • Phương pháp tốn học vững. • Phương pháp tế bào học • Ý nghĩa lớn đối với thực tiễn và các mơn khoa học • Phương pháp vật lý, hố học và sinh học khác khác (y học, sinh thái ) • Di truyền học là phương thức luận cơ bản của tiến hố, đặc biệt là cơ sở của chọn giống. 2
3. 7/18/15 MỞ ĐẦU: ADN là vật chất mang thơng tin di truyền Hiện tượng biến nạp: Chƣơng I • Thí nghiệm của Griffith (1928): thí nghiệm trên vi khuẩn diplococcus pneumococcus. CẤU TRƯC VÀ TÁI BẢN VẬT CHẤT DI TRUYỀN • Gồm: + dạng cĩ vỏ polysacarit độc, gây bệnh (S - smooth) Ở CẤP ĐỘ PHÂN TỬ, TẾ BÀO • + dạng khơng cĩ vỏ bọc, lành (R – rough ) • Tiêm cho chuột : • Dịng R hoặc dịng S bị chết do nhiệt chuột khơng nhiễm bệnh. • Dịng R + dịng S bị chết do nhiệt chuột chết. Kết kuận: tế bào vi khuẩn nịi R đã nhận được đặc tính tạo vỏ ở nịi S. THÍ NGHIỆM CỦA F.GRIFFIT 1944, Oswald Avery, Colin Malead và Maclyn MC Carti đã tách ADN từ nịi S đưa vào mơi trường nuơi cấy nịi R xuất hiện nịi S ADN nịi S đã biến nạp vào nịi R Rb cĩ tính tạo vỏ. Kết luận : ADN là vật chất di truyền b. Các chứng minh trên thực khuẩn thể - 1952, Alfred Hershey và Martha Chase: 2 mẫu virus: + một mẫu trên ADN được đánh dấu bằng 32P + mẫu kia trên protein được đánh dấu bằng 35S Sau 1 chu kỳ sinh sản khi cho E. coli phát triển trên mơi trường đồng vị phĩng xạ 32P và 35S được dùng làm chất đánh dấu đặc thù để phân biệt ADN và protein. 1 dịng E. coli được lây nhiễm phage đánh dấu 32P và dịng kia 35S. Kết quả: 35S nằm lại ngồi tế bào vi khuẩn với vỏ bọc virus trống rỗng. 32P nằm bên trong tế bào vi khuẩn sinh sản cho thế hệ virus mới Kết luận: vật chất di truyền của virus là ADN chứ khơng phải protêin 3
4. 7/18/15 Virus Structure Bacteriophages Capsids, Nucleic Acid, Envelope Viruses of bacteria Icosahedral Enveloped Helical A complex bacteriophage 1.1.1. Thành phần hố học và cấu trúc khơng gian của ADN a) Thành phần hố học: ADN là phân tử trùng hợp lớn (polymer), gồm nhiều đơn phân (monomer) gọi là nucleotide, mỗi nucleotide gồm: • Đường pentose, 5 cacbon (deoxyribose –C5H10O4) • Nhĩm phosphates • Bazơ nitơ Nhĩm phosphates liên kết với C5, bazơ với C1 4
5. 7/18/15 CÁC GỐC BAZƠ CẤU TRƯC HĨA HỌC CỦA 4 NUCLEOTIDE TRONG ADN Nucleic acids 4 loại nucleotide của ADN: + Dẫn xuất của purine: • Adenine (A) • Guanine (G) + Dẫn xuất của pyrimidine: • Thymine (T) • Cytosine (C) James Watson and Francis Crick • Tổng các bazơ purine bằng tổng các bazơ pyrimidine: A + G = T + C hay A = T; G = C • Tỷ lệ A T là 1 chỉ số đặc G C trưng cho lồi (ví dụ: ở người là 1,52; lúa mì – 1,19; nấm men – 1,79 ) 5
6. 7/18/15 b) Cấu trúc khơng gian của ADN 1953, James Watson và Fransis Cric đưa ra mơ hình cấu trúc khơng gian của ADN: + Là hai mạch đơn polynucleotide xoắn nhau (chuỗi xoắn kép), + bazơ nitơ mạch này liên kết với bazơ nitơ mạch kia bằng cầu nối hiđrơ, theo nguyên tắc bổ sung + Mỗi vịng của chuỗi xoắn kép dài CÁC DẠNG CẤU TRƯC XOẮN CỦA ADN 34A0 gồm 10 cặp bazơ, khoảng cách giữa 2 bazơ liền nhau là Kiểu Số cặp Gĩc xoắn so h – khoảng Đƣờng kính xoắn ốc base của 1 với mặt cách giữa 2 của chuỗi 0 3,4A = 0,34nm. vịng xoắn phẳng của base kề nhau xoắn kép (A0) + Các vịng xoắn nối tiếp nhau và base (A0) cuốn quanh 1 trục dọc chung, các A 11 +32,70 2,56 23 bazơ nằm ngang song song và B 10 +360 3,38 19 vuơng gĩc với trục của chuỗi xoắn 1 0 C 9 3 +38,6 3,32 19 kép. + Hai sợi trong phân tử ADN cĩ Z 12 -30,00 3,71 18 hướng ngược nhau (đối nghịch song song) Từ trái qua phải A-ADN, B-ADN và Z-ADN 6
7. 7/18/15 1.1.2. Những địi hỏi tất yếu của vật chất di truyền mà ADN đáp ứng được. a) Vật chất di truyền phải tàng trữ tất cả thơng tin cần thiết để điều khiển những cấu trúc đặc trưng và hoạt động trao đổi chất của tế bào. b) Vật chất di truyền được tái bản một cách chính xác để truyền đạt thơng tin cho các thế hệ tế bào sau. c) Vật chất di truyền phải cĩ khả năng xảy ra và ghi nhận những biến đổi, thơng tin khi đã biến đổi phải được ổn định và di truyền được Từ trái qua phải B-ADN, A-ADN và Z-ADN 1.2. Các dạng kiến trúc các trật tự nucleotide 1.2.2. Các dạng ADN kiến trúc lặp bản, các ý trong ADN nhiễm sắc thể nghĩa của chúng 1.2.1. ADN kiến trúc đơn bản • ADN cĩ các trật tự lặp lại với bội số trung và cao. . Genome của virus và vi khuẩn chỉ chứa dạng ADN đơn + Trung bình: số bản sao 20 – 50 bản + Cao: số bản sao 250 – 6000 hoặc 105 . Là phần ADN chính của genome. • ADN cĩ các trật tự lặp lại với bội số rất cao :106 bản . Hầu hết các gen của genome được mã hõa bởi ADN trật • Ý nghĩa: Tham gia vào quá trình tiếp hợp của đơi NST tự đơn bản (trừ một số gen như gen histon, ARN ribosome) tương đồng, tham gia vào quá trình trao đổi chéo gen, quá trình tái cấu trúc của NST và quá trình hoạt hố gen. Ngồi ra cịn bảo vệ các gen qua trọng, bảo tồn khối liên kết gen 1.3. Tái bản ADN 1.3.1. Nguyên lý bản bảo tồn Trong cơ chế tái bản bán bảo tồn, chuỗi xoắn kép được tách ra 2 mạch đơn, mỗi mạch đơn của ADN gốc được dùng làm khuơn cho tổng hợp 1 mạch mới. Kết quả 2 chuỗi kép được hình thành, mỗi một trong chúng chứa một mạch gốc và một mạch mới. CÁC GIẢ THIẾT TÁI BẢN ADN a) Kiểu bảo tồn; b) Kiểu bán bảo tồn; c) Kiểu phân tán 7
8. 7/18/15 THÍ NGHIỆM CỦA MESELSON - STAHL (1957 ) Dựa vào hiệu lực của đồng vị phĩng xạ nặng 15N và kỹ thuật tách các đại phân tử trên cơ sở trọng lượng: + Nuơi E. coli qua một số thế hệ với nguồn độc nhất chứa 15N. + Đặt một mẫu các tế bào vi khuẩn chứa 15N trong mơi trường 14N đến khi ADN tái bản trở lại đưa ADN này vào ly tâm siêu tốc. + Một thế hệ thứ 2 lại được cho phát triển trong mơi trường 14N ADN lại được đưa vào siêu ly tâm. (Dung dịch chloride cesium – CsCl được dùng trong siêu ly tâm, nĩ tạo thành 1 gradien nồng độ liên tục. Khi cho ADN vào chúng sẽ lắng xuống với 1 hàm lượng tương đương với nồng độ chúng). 1.3.2. Cơ chế tái bản ADN ở sinh vật nhân sơ Kết quả: Là một quá trình phức tạp, trải qua các cơ chế chung sau: • Các mẫu thí nghiệm chứa • Tách rời hai mạch nhiều ADN nhẹ hơn. • Phải cĩ đoạn mồi (primer): là đoạn ADN hay ARN mạch • Thế hệ thứ nhất: ADN lai cĩ tỉ đơn ngắn bắt cặp với mạch đơn khuơn trọng nằm giữa ADN nặng 15N • Đủ 4 loại nucleosid triphosphat (dATP, dGTP, dTTP, dCTP) và ADN nhẹ 14N. bắt cặp bổ sung với các nucleotide mạch khuơn • Thế hệ thứ 2: ½ số phân tử • Mạch mới tổng hợp theo hướng 5’P 3’OH ADN là lai, nửa cịn lại là ADN • Các nucleotide mới được nối với nhau bằng liên kết cộng nhẹ 14N. hĩa trị để tạo mạch mới Kết luận: ADN được tái bản theo kiểu bán bảo tồn 8
9. 7/18/15 Hệ enzyme tái bản ADN: Cơ chế tái bản ADN theo Okazaki (tái bản nửa gián đoạn) ADN – polymerase I : 400 phân tử trong 1 tế bào, TLPT- Năm 1969 R. Okazaki chứng minh kiểu tái bản nửa gián đoạn của 109.000 dalton ADN: Chức năng: sửa chữa ADN Bằng cách đánh dấu nhanh ADN đang tái bản với 3H - thimidin ADN - polymerase II: 100 phân tử trong 1 tế bào. TLPT- Okazaki đã chứng minh: 120.000 dalton ADN mới tái bản đều ở dạng những đoạn ngắn từ 1000 - 2000 Nu Chức năng: xác định sự bắt đầu tổng hợp 1 phân đoạn mới (đoạn okazaki). Đoạn okazaki được bắt đầu bằng một đoạn ngắn (10 đơn vị), ARN mồi. Đoạn mồi dùng làm chất mồi kéo dài tiếp ADN và kết thúc sự tổng hợp ADN. chuỗi polydeoxyribonucleotit, Nu gắn vào đầu 3’–OH tự do và kéo ADN - polymerase III: 10 phân tử trong 1 tế bào. TLPT- dài, theo chiều 5’–3’ .Sau khi loại bỏ ARN và lấp đầy khoảng trống 180.000 dalton. dưới tác dụng của ADN- polymerase I các đoạn okazaki được nối Chức năng: gia tăng chiều dài của sợi mới được tổng hợp. lại với nhau bằng enzim nối ADN ligase. Cơ chế tái bản ADN ở E.coli Cơ chế tái bản ADN theo Okazaki (tái bản nửa gián đoạn) I. Quá trình tháo xốn chuỗi kép: • Enzyme gyrase (một loại enzyme topoizomerase) cắt ADN làm tháo xoắn. • Enzyme helicase (rep) tham gia tách mạch tạo chạc ba sao chép (helicase sử dụng năng lượng ATP làm đứt các liên kết hydro) • Các protein làm căng mạch SSB (single Strand binding) gắn vào các mạch đơn ADN làm chúng tách nhau và thẳng ra. Mỗi SSB bám vào 8 bazơ của sợi đơn ADN. II. Quá trình lắp ráp các nuleotit ở chạc tái bản: . ADN-polymerase III gắn vào mạch khuơn và lắp các nucleotide bổ sung vào vị trí tương ứng . Mạch khuơn cĩ đầu 3’ được tổng hợp ngay mạch bổ sung 5’ 3’ (mạch trước – leading trand) hướng vào chạc ba. . Mạch khuơn 5’ 3’ (mạch khuơn sau) được tổng hợp phức tạp hơn theo hướng từ chạc ba ra ngồi. 9
10. 7/18/15 Các bước tổng hợp mạch khuơn 5’ 3’ CHẠC TÁI BẢN • Enzyme primase gắn mồi (primer) ARN khoảng 10 nucleotide cĩ trình tự bổ sung với mạch khuơn • ADN-polymerase III nối theo mồi ARN tổng hợp các đoạn ngắn 1000 – 2000 nucleotide – các đoạn Okazaki đến khi gặp ARN mồi phía trước thì dừng lại. • Enzyme ADN-polymerase I nhờ hoạt tính exonuclease 5’ 3’ cắt bỏ ARN mồi, lắp các nucleotide của ADN vào chỗ trống và thực hiện polymer hĩa hƣớng 5’ 3’. • Khe hở giữa các đoạn okazaki được nối liền nhờ enzyme ADN ligase. Mạch được tổng hợp theo hướng từ chạc ba ra ngồi gọi là mạch sau (lagging strand). Supercoiled DNA relaxed by gyrase & unwound by helicase + proteins: 5’ SSB Proteins Okazaki Fragments 1 ATP Polymerase III 2 Helicase Lagging strand 3 + Initiator Proteins 3’ primase base pairs Polymerase III 5’ RNA primer replaced by polymerase I & gap is sealed by ligase Leading strand RNA Primer 3’ MƠ HÌNH HIỆN TƢỢNG TÁI BẢN CỦA ADN E.COLI MƠ HÌNH HIỆN TƢỢNG TÁI BẢN CỦA ADN E.COLI 10
11. 7/18/15 MƠ HÌNH TÁI BẢN ADN DẠNG VÕNG CỦA E.COLI 1.3.3 Tái bản ADN ở sinh vật nhân chuẩn MƠ HÌNH TÁI BẢN ADN Ở EUKARYOTE • Quá trình chung giống như ở Prokaryote • Tái bản ADN ở eukaryote phức tạp hơn và cĩ tốc độ chậm hơn • Khởi sự tái bản xảy ra từ nhiều điểm (đơn vị tái bản - replicon) và thường diễn ra theo hai chiều. • Tế bào cĩ cơ chế kiểm sốt nghiêm ngặt quá trình sao chép, điểm nào đã sao chép qua 1 lần rồi thì khơng lặp lại trước khi tồn bộ ADN được sao chép hồn tồn. 1.3.3 Tái bản theo cơ chế vịng lăn TÁI BẢN THEO KIỂU VÕNG LĂN • ADN vịng được khía (cắt) 1 mạch tại điểm khởi đầu sao chép bởi 1 loại protein khởi đầu • Protein khởi đầu luơn bám ở đầu 5’, cịn dso (double strand replication origin) đầu 3’ như là mồi (primer) cho sự tổng hợp ADN được diễn ra dưới tác động của ADN- polymerase III. • Trên mạch đơn khơng bị cắt sự tái bản Rep protein (plasmid encoded) được diễn ra liên tục theo vịng trịn. • Mạch bị cắt đứt sự tổng hợp ADN diễn ra khơng liên tục, theo từng đoạn okazaki gồm sso (single strand các bước sau: replication origin) + ARN polymerase bám vào điểm khởi đầu RNA primer (primase) và tổng hợp ARN mồi. DNA pol III + ADN polymerase III nối theo ARN mồi tổng Elongation hợp các đoạn okazaki. 1. DNA pol I + ADN polymerase loại bỏ các đoạn ARN mồi 2. DNA pol III + Enzyme ADN lygase gắn các đoạn okazaki tạo 1 vịng ADN kép hồn chỉnh. 11
12. 7/18/15 1.4 Tế bào nhân sơ và tế bào nhân chuẩn SƠ ĐỒ CẤU TẠO VI KHUẨN 1.4.1 Đặc điểm cấu trúc nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân sơ Prokaryotic flagella • Sinh vật nhân sơ (prokaryote) bao gồm vi khuẩn (bacteria), xạ khuẩn (actinobacteria) và khuẩn lam (cyanophyta). Nucleoid region (DNA) • Tế bào sinh vật nhân sơ chưa cĩ nhân hồn chỉnh – chưa cĩ Plasma Ribosomes membrane màng bao bọc. Cell wall • Cấu tạo tế bào: màng tế bào, khối nguyên sinh, thể nhân, Capsule ribosome và mezosome (ty thể dạng sơ khai) Pili • Thể nhân chứa ADN trần dạng vịng được bao quanh bởi chất nhân (nucleoplasma). CÁC DẠNG VI KHUẨN Escherichia coli (e.coli) • DNA dạng vịng, dài 1mm gồm 4 x 106 đơi base chứa khoảng 1500 gen. • Trong thể nhân, DNA được tổ chức dưới dạng các cấp co xoắn. • Phương thức truyền đạt vất chất di truyền cho thế hệ sau: + Phân chia đơn giản hoặc phân cắt sau quá trình tự nhân đơi của NST. + Ngồi NST chính, vi khuẩn cịn cĩ các plasmid mang ADN vịng, kép cĩ khả năng tự sao độc lập với NST. KHUẨN LAM (CYANOPHYTE BACTERIA) Cấu tạo: + Vùng phía ngồi chứa thể sắc lạp thực hiện chức năng quang hợp + Vùng phía trong chứa thể nhân + Khuẩn lam cĩ chứa ribosome và mezosome. Plasmid Bacteria DNA 12
13. 7/18/15 Xạ khuẩn (Actinobacteria; tiếng Anh: Actinomycetes) là một nhĩm vi khuẩn thật (Eubacteria) phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên. Trước kia được xếp MỘT SỐ LỒI XẠ KHUẨN vào Tản thực vật (tức nấm), nhưng ngày nay chúng được xếp vào vi khuẩn (Schizomycetes) Xạ khuẩn cĩ nhiều nét khác với nấm nhưng giống vi khuẩn: * Cĩ giai đoạn đơn bào và cĩ giai đoạn đa bào * Kích thước rất nhỏ * Nhân giống với vi khuẩn, khơng cĩ màng nhân và tiểu hạch * Vách tế bào khơng chứa cellulose hoặc kitin, giống với vi khuẩn * Phân chia tế bào giống với vi khuẩn (kiểu Amitose) * Xạ khuẩn khơng cĩ giới tính (khơng cĩ tế bào đực cái) * Hoại sinh và ký sinh Xạ khuẩn sống trong đất, tham dự vào quá trình chuyển hĩa tự nhiên của nhiều hợp chất trong đất. Xạ khuẩn chi Streptomyces 1.4.2 Đặc điểm cấu trúc nhân của sinh vật nhân chuẩn (Eukaryote) - Tế bào cĩ cấu trúc nhân hồn chỉnh – nhân cĩ màng bao bọc, cĩ từ 2 NST MÀNG NHÂN trở lên. - Nhân tế bào: • Là màng sinh học kép, cĩ các lỗ thơng với + Màng nhân bào chất, cĩ tính bán thấm. + Dịch nhân: dạng keo, là nơi chứa chất nhiễm sắc, tiểu hạch + Chất nhiễm sắc: là vật chất di truyền của tế bào (ADN và protein) – • Cấu trúc: gồm 2 lớp màng lipoproteit: màng chromatin. trong và màng ngồi. Giữa 2 lớp màng là + Tiểu hạch - Phương thức truyền đạt vật chất di truyền cho thế hệ sau: xoang quanh nhân. Phương thức hoạt động chính xác của các NST trong nguyên phân và giảm phân với các cơ chế sinh học chặt chẽ như cơ chế tự nhân đơi, phân ly và tổ hợp của các NST. Cĩ khối lượng nhiều loại protein khác nhau kết hợp với ADN trong NST (80%): + Protein histon (protein bazơ). + Protêin khơng cĩ histon (protein axít). CẤU TRƯC MÀNG NHÂN TIỂU HẠCH • Phần bắt mầu hiện rõ ở pha tĩnh kỳ • Mỗi nhân thường cĩ 1 tiểu hạch • Khi tế bào phân chia tiểu hạch tan và được khơi phục lại ở mạt kỳ. • Đoạn ADN đi qua tiểu hạch luơn ở trạng thái chức năng, chứa nhiều bản gen ARNr. • Là nơi sản xuất ra ARNr. • Cấu tạo: ribonucleoproteit dạng hạt, ribonucleoproteit dạng sợi, các protein khơng định hình, sợi cromatin. 13
14. 7/18/15 • Mơ hình tế bào động vật • An idealized plant cell Centriole Not in animal cells Ribosomes Lysosome Not in most plant cells Cytoskeleton Flagellum Cytoskeleton Mitochondrion Central vacuole Nucleus Plasma Cell wall membrane Rough endoplamsic reticulum (ER) Chloroplast Ribosomes Mitochondrion Nucleus Rough Plasma endoplasmic membrane reticulum (ER) Smooth Smooth endoplasmic endoplasmic Golgi reticulum (ER) reticulum (ER) Plasmodesmata apparatus Golgi apparatus 1.5. Cấu trúc trên phân tử của sợi nhiễm sắc MƠ HÌNH CẤU TẠO NHÂN 1.5.1. Thành phần hố học của sợi nhiễm sắc • Sợi ADN dài (mỗi NST bình quân dài khoảng 4 cm, ở trung kỳ dài khoảng 4µm). • Các protein histon • Protein phi histon • ARN (gọi là các ARN nhân) • Một số ion kim loại: Ca2+, Mg2+, Na+ 1.5.1. Thành phần hố học của sợi nhiễm sắc 1.5.2. Cấu trúc cơ bản (bậc 1) của sợi nhiễm sắc • Mức đơn giản nhất là nuclesome: cấu tạo từ 8 phân tử histon (octamer), được cuộn quanh bởi ADN. Histon: là các protein cĩ phân tử ngắn, chứa khoảng 100 • Octamer histon gồm: – 200 axit amin + 2 phân tử H3 và 2 phân tử H4 liên kết ở vùng trung tâm. Cĩ 5 loại histon: H1, H2A, H2B, H3, H4 + 2 phân tử H2A và 2 phân tử H2B liên kết phía ngồi • Trong mỗi nucleosome, octamer histon được quấn bởi 1 ¾ vịng sợi + H1: giàu lizin, 21 kdalton ADN, mỗi vịng dài 80 cặp Nu, làm thành vịng quấn 146 cặp Nu của ADN + H2A, H2B quấn quanh 8 phân tử histon. + H3, H4 : giàu acginin , 10-15 kdalton • Mỗi nucleosome cĩ đường kính 110A0, như vậy sợi ADN cuộn trịn, quấn +Tỷ lệ H1: H2A: H2B: H3: H4 – 1:2:2:2:2 quanh histon được giảm chiều dài theo hệ số 7. • Nucleosome này nối với nucleosome kia bằng ADN nối (15 - 100 cặp Nu) -> Sợi cơ bản của NST (100A0) 14
15. 7/18/15 MƠ HÌNH 1 VÕNG XOẮN CỦA NST General model for the nucleosomal core Nucleosome core particle Structure of the Nucleosome (1997) 15
16. 7/18/15 1.5.3. Cấu trúc solenoid (bậc 2) và các mức kết tụ, ý nghĩa • Solenoid: mức xoắn bậc hai của sợi NS (đường kính 300A0). • Mỗi bước cuộn xoắn của solenoid trung bình 6 nucleosome. • Trong NST trung kỳ, solenoid cuộn xoắn một lần nữa (bậc ba) một ống rỗng (đường kính 2000A0) ADN với chiều dài đã co giảm theo hệ số 18. • Ống 2000A0 cuộn xoắn tiếp cuộn xoắn lớn hơn – bậc bốn (đường kính 2000A0) cromatit ở kỳ giữa. Ý nghĩa: Giải quyết hai vấn đề cơ bản: • Hoạt hố gen - thể hiện thơng tin di truyền. • Vận động – phân phối đều và chính xác vật chất di truyền cho các thế hệ tế bào. 1.6. Cấu trúc nhiễm sắc thể ở trung kỳ Kết luận: 1.6.1. Cấu trúc hình thái NST trung kỳ Cấu trúc trên phân tử của sợi NST và quá trình kết tụ - Dạng kép (do cĩ sự nhân đơi sợi NS). của nĩ cĩ ý nghĩa lớn trong sự hoạt hố gene - thể hiện - Kích thước lớn nhất. thơng tin di truyền, và trong sự vận động phân phối đều và chính xác vật chất di truyền cho các thế hệ tế bào. ADN, với mơ hình cấu trúc ở cấp độ phân tử, và mơ hình về cấu trúc trên phân tử (NST) của nĩ đã chứng tỏ tính hồn thiện tối cao của vật chất mang thơng tin di truyền - vật chất trung tâm của sự sống. 16
17. 7/18/15 HÌNH THÁI NHIỄM SẮC THỂ Ở TRUNG KỲ CÁC DẠNG NHIỄM SẮC THỂ . Tâm động(centromere): • Dạng cân + Là khối ADN – protein bền vững, cĩ nhiều ADN dạng kiến trúc trùng lặp với • Nhiều tâm bội số cao. + Là nơi đính vào của các sợi tơ vơ • Dạng lệch sắc để NST tách ra và chạy về hai cực của tế bào. • Khơng tâm + Thường mỗi NST cĩ 1 tâm động. Vị • Tâm mút trí của tâm động quyết định hình dáng NST. . Vai NST . Eo thắt (secondnary constriction) . Thể kèm (Satellite): vai trị trong tổng hợp ARN riboxom của tế bào. Chỉ cí một số NST cĩ eo thắt và thể kèm. 1.6.2. Kiểu nhân Kiểu nhân của Ngơ (Zea may) • Khái niệm: Bộ NST đầy đủ các đặc điểm về hình thái và số lượng cụ thể gọi là kiểu nhân (Karyotype) của lồi đĩ. • Đơi NST tƣơng đồng: 1 chiếc cĩ nguồn gốc từ bố (giao tử đực), chiếc kia cĩ nguồn gốc từ mẹ (giao tử cái). • Thiết lập nhân đồ (idiogram): thiết lập hình vẽ diễn tả đặc điểm hình thái, kích thước, các băng đặc trưng của từng cặp NST tương đồng và xếp chúng theo thứ tự. Kiểu nhân của lúa (Rice) Kiểu nhân cà chua 17
18. 7/18/15 1.6.3. Chất nguyên nhiễm sắc, chất dị nhiễm sắc, phân lập các NST Tiêu chuẩn để phân lập các NST: Chất nhiễm sắc: ADN với protein histon và protein phi histon. Do tính chất kết tụ của sợi ADN với các protein ở các vùng nào + Hình dạng NST đĩ trên NST là khác biệt so với bình thường làm cho vùng bắt màu đậm hơn – vùng dị nhiễm sắc (heterochromatin) và vùng + Kích thước NST bình thường vùng nguyên nhiễm sắc (euchromatin). Vùng dị nhiễm sắc tập trung nhiều dạng ADN cĩ dạng kiến trúc + Vị trí các băng ổn định trùng lặp bội số cao. • Vị trí: Ổn định và khơng ổn định. • Gen ở vùng dị nhiễm sắc thường bất hoạt • Dựa vào vùng dị nhiễm sắc ổn định để phân biệt NST khi chúng cĩ kích thước, hình dạng giống nhau. 1.7. Chu kỳ tế bào và phân chia nguyên nhiễm 1.7.1. Chu kỳ tế bào Giai đoạn phân chia (M): Khái niệm: là quá trình hoạt động của tế • Phân chia nguyên nhiễm (mitosis) bào từ lần phân chia này tới lần phân chia tiếp theo.Gồm 2 giai đoạn: tĩnh kỳ và giai + Tiền kỳ + Hậu kỳ đoạn phân chia + Trung kỳ + Mạt kỳ Tĩnh kỳ: Kết quả từ một tế bào (2n) 2 tế bào (2n) + Giai đoạn trước tổng hợp ADN (G1): tế bào chuẩn bị cơ sở vật chất để bước vào • Phân chia giảm nhiễm (meiosis) tổng hợp ADN. + Giai đoạn tổng hợp ADN (S): tái bản + Giảm phân I ADN NST,tổng hợp protêin. +Giảm phân II + Giai đoạn sau tổng hợp ADN (G2): tích lũy năng lượng, chuẩn bị vất chất để bước vào giao đoạn phân chia. Tiền kỳ (prophase) 1.7.2. Phân chia nguyên nhiễm. Cơ chế và ý nghĩa Intact nuclear Centrosomes Intact nuclear envelope envelope • Khái niệm: là phương thức phân chia cơ bản và phổ cập nhất của tế bào. Quá trình phân chia gồm 4 giai đoạn, Condensing chromosomes kết quả từ một tế bào mẹ cho hai tế bào con cĩ số lượng NST ko đổi. • Các dạng tế bào phân chia nguyên nhiễm ở thực vật: + Tế bào hợp tử Condensing chromosomes + Tế bào mơ phân sinh NST bắt đầu co xoắn, màng nhân và Centrosome separation + Tế bào mơ sẹo hạch nhân tan dần. Cuối tiền kỳ, bộ máy beginning hữu ty hình thành, NST ngắn và rộng, + Tế bào tiểu bào tử và đại bào tử mỗi NST gồm 2 sợi cromatid đính với nhau ở tâm động. 18
19. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nơng Học ) - Học Viện Nơng Nghiệp Việt Nam 7/18/15 Trung kỳ (metaphase) Hậu kỳ (Anaphase) Spindle poles Metaphase Metaphase Pole Pole plate plate Pole Pole Spindle poles Pole Pole Metaphase plate Metaphase plate Hai sợi cromatid của NST tách nhau tại tâm đơng và chuyển động về 2 cực nhờ hoạt động của tơ kéo. Tế bào chất Pole bắt đầu được phân chia. Đầu trung kỳ Trung kỳ Pole Mạt kỳ (telophase) Đầu mạt kỳ, các NST tụ lại Early ở 2 cực tế bào và bắt đầu tháo xoắn. Màng nhân và Prophase hạch nhân được hình thành. Early mitotic Pair of spindle centrioles Centromere Aster Chromosome, consisting of two sister chromatids Early prophase Late Metaphase Prophase Fragments Polar Metaphase plate of nuclear microtubules envelope Kinetochore Kinetochore Spindle microtubule pole Spindle Late prophase Metaphase 19
20. 7/18/15 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nơng Học ) - Học Viện Nơng Nghiệp Việt Nam Anaphase Telophase and Cytokinesis Nucleolus forming Contractile ring at cleavage furrow Nuclear envelope Daughter chromosomes forming Anaphase Telophase and cytokinesis 1.7.2. Phân chia nguyên nhiễm. Cơ chế và ý nghĩa Ý nghĩa của nguyên nhiễm: • Xây dựng lên cơ thể đa bào từ tế bào ban đầu. • Các TTDT được truyền nguyên vẹn vì vậy mọi tế bào của cơ thể đa bào cĩ bộ máy di truyền như nhau. • Các gen khác nhau hoạt động ở các nhĩm tế bào - tế bào phân hĩa chức năng do cĩ cơ chế hoạt hĩa diễn ra trong quá trình phát triển cá thể • Qua phân bào gene mới hoạt hĩa. 20