Tài liệu Xây dựng phương pháp giải bài tập về cấu trúc di truyền của quần thể nội phối”

Phần 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Lí do chọn đề tài Trong phần di truyền học quần thể thuộc chương trình sách giáo khoa lớp12 ở bậc Trung học phổ thông, học sinh được tiếp cận với kiến thức về cấu trúc di truyền của quần thể nội phối. Chương trình chỉ giới thiệu một số nội dung cơ bản về quần thể nội phối, do đó các em vẫn chưa thực sự khái quát được kiến thức cung cấp từ sách giáo khoa. Nhằm giúp các em có khả năng tư duy khái quát nhanh và đầy đủ hơn về đặc điểm di truyền của quần thể nội phối, rèn luyện thêm các kĩ năng và kĩ thuật giải nhanh các dạng bài tập về quần thể nội phối, chúng tôi thực hiện chuyên đề: “Xây dựng phương pháp giải bài tập về cấu trúc di truyền của quần thể nội phối” 2. Mục đích của chuyên đề - Giúp học sinh có phương pháp suy luận và chứng minh về sự biến đổi cấu trúc di truyền của quần thể nội phối. - Rút ra được xu hướng biến đổi cấu trúc di truyền của quần thể nội phối qua các thế hệ. - Rèn luyện tư duy khoa học và kĩ năng giải bài tập. 3. Phương pháp thực hiện chuyên đề Chúng tôi sử dụng phương pháp quy nạp để lập công thức toán học. 4. Nội dung chuyên đề - Xác định sự biến đổi cấu trúc di truyền của quần thể nội phối qua các thế hệ. -1- - Xây dựng phương pháp giải bài tập và rút ra công thức tổng quát để xác định thành phần kiểu gen sau n thế hệ của quần thể nội phối mà ở thế hệ xuất phát có cấu trúc di truyền bất kì. - Một số bài tập vận dụng Phần 2. NỘI DUNG I. Một số khái niệm cơ bản trong di truyền học quần thể 1. Khái niệm quần thể Quần thể là tập hợp các cá thể của cùng một loài, có nơi sinh sống chung, có những cơ chế thích ứng chung với những điều kiện sống cụ thể và tạo thành một hệ thống di truyền thống nhất, có khả năng duy trì ổn định cấu trúc của mình và có khả năng tham gia vào những biến đổi trong quá trình tiến hóa. 2. Vốn gen Là tập hợp đầy đủ các alen của tất cả các gen hình thành trong quá trình tiến hóa mà quần thể có tại một thời điểm xác định. Dựa vào vốn gen chúng ta có thể phân biệt các quần thể về mặt di truyền 3. Tần số alen -2- Tần số alen của một gen được biểu thị bằng tỉ lệ giữa số alen được xét trên tổng số alen của gen đó có trong quần thể tại một thời điểm xác định. II. Cấu trúc di truyền của quần thể nội phối [Kí hiệu: I (Inbreeding)] 1. Khái niệm quần thể nội phối (I) Quần thể nội phối là hiện tượng các cá thể trong quần thể thực vật tự thụ phấn, động vật tự thụ tinh. 2. Số kiểu nội phối trong quần thể Trong một quần thể sinh vật lưỡng bội nội phối ở thế hệ xuất phát, xét một gen với 2 alen A và a. Trong quần thể có 3 loại kiểu gen là: AA, Aa và aa. Quần thể trên gồm 3 kiểu nội phối sau: - AA x AA - Aa x Aa - aa x aa Vậy, số kiểu nội phối = Tổng số kiểu gen trong quần thể 3. Xu hướng biến đổi thành phần kiểu gen của quần thể nội phối Trong một quần thể sinh vật lưỡng bội nội phối, ở thế hệ xuất phát có 100% thành phần kiểu gen dị hợp Aa. Thành phần kiểu gen của quần thể nội phối qua các thế hệ được thể hiện như sau: - Thế hệ xuất phát (I0): 1,00 Aa - Thế hệ thứ nhất (I1): 1/4 AA : 1/2 Aa : 1/4 aa - Thế hệ thứ hai (I2): 3/8 AA : 1/4 Aa : 3/8 aa - Thế hệ thứ ba (I3): 7/16 AA : 1/8 Aa : 7/16 aa -3- Ta thấy rằng, cứ qua một thế hệ nội phối thì tần số kiểu gen củathể dị hợp bị giảm đi 1/2 so với thế hệ liền kề trước, còn tần số kiểu gen đồng hợp trội luôn bằng tần số kiểu gen đồng hợp lặn. Qua n thế hệ nội phối, thành phần kiểu gen của quần thể là: Thế hệ thứ n (In): 1/2(1-1/2n) AA : 1/2n Aa : 1/2(1-1/2n) aa Khi số thế hệ nội phối tiến đến vô hạn (n→∞) thì: Vậy, quần thể nội phối có các đặc điểm sau: + Thành phần kiểu gen của quần thể qua các thế hệ biến đổi theo hướng tăng dần tần số kiểu gen đồng hợp và giảm dần tần số kiểu gen dị hợp. + Quá trình nội phối làm cho quần thể bị phân hóa thành những dòng thuần có kiểu gen khác nhau. + Các quần thể nội phối trong tự nhiên qua thời gian dài thường tồn tại thành những dòng thuần chủng. + Các quần thể nội phối trong tự nhiên thường không bị thoái hóa giống do chúng đã hình thành các kiểu gen thuần chủng thích nghi với điều kiện môi trường sống cụ thể dưới tác dụng của chọn lọc tự nhiên. 4. Cấu trúc di truyền của quần thể nội phối qua n thế hệ đối với quần thể ở thế hệ xuất phát (I0) có cấu trúc di truyền bất kì. -4- * Bài tập giả định: Giả sử, một quần thể sinh vật lưỡng bội nội phối ở thế hệ xuất phát có thành phần kiểu gen 0,4AA : 0,4Aa : 0,2aa. Xác định cấu trúc di truyền của quần thể sau 3 thế hệ nội phối. - Ta có: I0: 0,4AA : 0,4Aa : 0,2aa. Sau một thế hệ nội phối: - I1 = - I 1 = 0,5AA : 0,2Aa : 0,3aa - I2 = - I 2 = 0,55AA : 0,1Aa : 0,35aa -I3 = Vậy, cấu trúc di truyền của I3 là: - I 3 = 0,575AA : 0,05Aa : 0,375aa * Xác lập công thức Trong một quần thể sinh vật lưỡng bội nội phối, xét một gen có 2 alen A và a, trong quần thể có 3 kiểu gen: AA, Aa và aa. Gọi d0, h0 và r0 lần lượt là tần số kiểu gen AA, Aa và aa ở thế hệ xuất phát Gọi d1, h1 và r1 lần lượt là tần số kiểu gen AA, Aa và aa ở thế hệ thứ nhất Gọi dn, hn và rn lần lượt là tần số kiểu gen AA, Aa và aa ở thế hệ thứ n -5- Gọi , lần lượt là tần số kiểu gen AA, aa được tạo ra do sự nội phối của kiểu gen dị hợp Aa. Ta có: Cấu trúc di truyền của thế hệ xuất phát, I0: d0AA : h0Aa : r0aa. I1 = h1 = h0 1 = 1 = h0 = (h0-h1) d1 = d0 + r1 = d0 + 1 1 = d0 + (h0-h1) = r0 + (h0-h1) Vậy, I 1 = [d0+ (h0-h1)]AA : h1Aa : [r0+ (h0-h1)]aa Cứ sau một thế hệ nội phối, thể dị hợp Aa giảm đi 1/2 so với thế hệ kế trước, nên ta có: h0 = 2h1 = 4h2 = 8h3 = ... = 2nhn, suy ra hn =( )nh0 n = n = (h0-hn) Sau n thế hệ nội phối, cấu trúc di truyền của quần thể là: Aa = hn =( )nh0 AA = d0 + (h0-hn) aa = r0 + (h0-hn) Vậy cấu trúc di truyền ở thế hệ In: [d0 + (h0-hn)]AA : [( )nh0]Aa : [r0 + (h0-hn)]aa -6- 5. Một số bài tập vận dụng Bài tập 1: Khi quan sát một quần thể động vật lưỡng bội nội phối.Ở thế hệ xuất phát có 2000 cá thể có kiểu gen AA, 5000 cá thể có kiểu gen Aa và 3000 cá thể có kiểu gen aa. Xác định: a. Tần số alen và thành phần kiểu gen của quần thể? b. Viết cấu trúc di truyền sau 3 thế hệ nội phối? Đáp án: a. pA = 0,45; qa = 0,65 0,2AA : 0,5Aa : 0,3aa b. 0,41875AA : 0,06250Aa : 0,51875aa Bài tập 2: Một quần thể thực vật lưỡng bội nội phối, ở thế hệ xuất phát có cấu trúc di truyền: 0,4AA : 0,4Aa : 0,2aa. Kiểu gen đồng hợp lặn không có khả năng giảm phân phát sinh giao tử. Viết cấu trúc di truyền của quần thể ở thế hệ tiếp theo? Hướng dẫn giải tóm tắt Do kiểu gen aa không có khả năng sinh sản, tần số kiểu gen ở I0 có khả năng sinh sản là: 0,5AA :0,5Aa Vậy, cấu trúc di truyền của I1: 0,625AA : 0,25Aa : 0,125aa Bài tập 3: Ở một loài thực vật, alen A quy định hoa đỏ trội hoàn toàn so với a quy định hoa trắng. Cho cây (P) có kiểu gen Aa tự thụ phấn thu được F1; tiếp tục cho F1 tự thụ phấn thu được F2; tiếp tục cho F2 tự thụ phấn thu được F3. Biết rằng không có đột biến xảy ra, số cây con được tạo ra khi các cây F1, F2 tự thụ phấn là tương đương nhau. Hãy xác định tỉ lệ kiểu hình ở F3? Đáp án: I3: 0,4375AA : 0,125Aa : 0,4375aa -7- Tỉ lệ kiểu hình: 0,5625 hoa đỏ : 0,4375 hoa trắng Bài tập 4: Từ một quần thể thực vật ban đầu (P), sau 3 thế hệ tự thụ phấn thì thành phần kiểu gen của quần thể là 0,525AA : 0,050Aa : 0,425aa. Biêt rằng quần thể không chịu sự tác động của các nhân tố tiến hóa. Tính theo lý thuyết, thành phần kiểu gen của quần thể (P) là bao nhiêu? Đáp án: 0,350AA : 0,400Aa : 0,250aa Bài tập 5: Trong một quần thể thực vật lưỡng bội tự thụ phấn, xét một gen với 2 alen, alen A quy định hoa đỏ trội hoàn toàn so với alen a quy định hoa vàng. Quần thể ban đầu (P) có thành phần kiểu gen là 0,25AA : 0,40Aa : 0,35aa. Sau ba thế hệ nội phối và không chịu tác động của các nhân tố tiến hóa. Hãy xác định thành phần kiểu gen và tỉ lệ kiểu hình của F3? Đáp án: F3: 0,425AA : 0,050Aa : 0,525aa Tỉ lệ kiểu hình F3: 0,475 hoa đỏ: 0,525 hoa vàng -8- Phần 3. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 1. Kết luận Với nội dung chuyên đề trên có thể giúp học sinh tiếp cận được các kiến thức như sau: - Các khái niệm cơ bản trong di truyền học quần thể. - Chứng minh được xu hướng biến đổi cấu trúc di truyền của quần thể nội phối. -Giải thích được các quần thể nội phối trong tự nhiên thường tồn tại thành những dòng thuần chủng và chúng không xảy ra hiện tượng thoái hóa giống. - Rèn luyện phương pháp và kĩ năng giải bài tập đối với mỗi dạng cụ thể ở phần bài tập vận dụng. - Rèn luyện được khả năng tư duy, khái quát vấn đề, lập luận logic trong học tập và tinh thần đam mê trong khoa học. 2. Đề nghị -9- - Rút ra ý nghĩa của việc nghiên cứu cấu trúc di truyền của quần thể nội phối, có được thế giới quan đúng đắn hơn khi nhìn nhận về tự nhiên, về sinh giới. - Học sinh rèn luyện thêm các phương pháp giải bài tập tự luận, các kĩ thuật và thủ thuật giải nhanh bài tập trắc nghiệm, phát huy tính nhạy bén trong nhìn nhận và nghiên cứu các vấn đề. Vinh Xuân, ngày 09 tháng 03 năm 2014 Người viết chuyên đề ThS TRẦN CÔNG TIẾN PHẦN ĐÁNH GIÁ VÀ XẾP LOẠI CỦA HỘI ĐỒNG XÉT SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM CỦA TRƯỜNG (Chủ tịch hội đồng xếp loại, ký và đóng dấu) -10- .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .........................................................................Xếp loại: .............................. Vinh Xuân, ngày …. tháng …. năm 2014 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PHẦN ĐÁNH GIÁ VÀ XẾP LOẠI CỦA HỘI ĐỒNG XÉT SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM CỦA SỞ GD&ĐT THỪA THIÊN HUẾ .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... -11- .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... ..................................... -12-