Giao phối không ngẫu nhiên (Non-random mating)

Giao phối không ngẫu nhiên có thể làm thay đổi tần số kiểu gen trong quần thể, nhưng nó không làm thay đổi tần số alen một cách trực tiếp. Nó ảnh hưởng đến cách các alen được phân bố trong kiểu gen và do đó ảnh hưởng đến tiến hóa.

Các dạng giao phối không ngẫu nhiên

Có một số hình thức giao phối không ngẫu nhiên, bao gồm:

• Giao phối đồng tộc (Assortative mating): Cá thể có xu hướng giao phối với những cá thể có kiểu hình tương tự.
  • Giao phối đồng tộc dương tính (Positive assortative mating): Cá thể giao phối với những cá thể có kiểu hình tương tự (ví dụ: cây cao giao phối với cây cao). Điều này dẫn đến tăng tỷ lệ lặn đồng hợp tử trong quần thể.
  • Giao phối đồng tộc âm tính (Negative assortative mating): Cá thể giao phối với những cá thể có kiểu hình khác biệt (ví dụ: cây cao giao phối với cây thấp). Điều này dẫn đến tăng tỷ lệ lặn dị hợp tử trong quần thể.
• Giao phối cận huyết (Inbreeding): Giao phối giữa các cá thể có quan hệ họ hàng gần. Giao phối cận huyết làm tăng xác suất hai alen tại một locus là giống hệt nhau do tổ tiên chung (identical by descent). Điều này làm tăng tỷ lệ lặn đồng hợp tử đối với tất cả các gen, bao gồm cả các alen lặn có hại, có thể dẫn đến giảm khả năng thích nghi (inbreeding depression). Hệ số cận huyết (inbreeding coefficient), ký hiệu là F, được sử dụng để đo lường xác suất hai alen tại một locus là giống hệt nhau do tổ tiên chung.
• Giao phối xa (Outbreeding/Outcrossing): Giao phối giữa các cá thể không có quan hệ họ hàng. Giao phối xa có thể làm tăng tính đa dạng di truyền và giảm tỷ lệ lặn đồng hợp tử, có thể dẫn đến tăng khả năng thích nghi (heterosis hoặc hybrid vigor).

Ảnh hưởng của giao phối không ngẫu nhiên

Giao phối không ngẫu nhiên có thể có những tác động đáng kể đến cấu trúc di truyền của quần thể:

• Thay đổi tần số kiểu gen: Như đã đề cập, giao phối không ngẫu nhiên thay đổi tần số kiểu gen, không phải tần số alen. Điều này có nghĩa là tỷ lệ các kiểu gen đồng hợp tử và dị hợp tử trong quần thể sẽ bị ảnh hưởng.
• Ảnh hưởng đến sự tiến hóa: Bằng cách thay đổi tần số kiểu gen, giao phối không ngẫu nhiên ảnh hưởng đến cách thức chọn lọc tự nhiên tác động lên quần thể. Ví dụ, giao phối cận huyết làm tăng tần số kiểu gen đồng hợp tử, cho phép chọn lọc tự nhiên tác động hiệu quả hơn lên các alen lặn có hại. Ngược lại, giao phối xa làm tăng tỷ lệ dị hợp tử, có thể che giấu các alen lặn có hại và làm chậm quá trình chọn lọc loại bỏ chúng.
• Phân tách quần thể: Giao phối đồng tộc có thể góp phần vào sự phân tách quần thể thành các nhóm riêng biệt về mặt di truyền. Khi các cá thể chỉ giao phối với những cá thể có kiểu hình tương tự, sự trao đổi gen giữa các nhóm khác nhau bị giảm, dẫn đến sự khác biệt di truyền ngày càng tăng.

Giao phối không ngẫu nhiên là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cấu trúc di truyền và tiến hóa của quần thể. Hiểu được các hình thức khác nhau của giao phối không ngẫu nhiên và ảnh hưởng của chúng là cần thiết để hiểu được động lực của quần thể và quá trình tiến hóa.

Ví dụ

Dưới đây là một số ví dụ về giao phối không ngẫu nhiên trong tự nhiên:

• Ở một số loài chim, con cái chọn bạn tình dựa trên độ dài đuôi. Đây là một ví dụ về giao phối đồng tộc dương tính. Những con cái có xu hướng chọn những con đực có đuôi dài, dẫn đến sự gia tăng tần số alen quy định đuôi dài trong quần thể.
• Ở thực vật, nhiều loài có cơ chế ngăn chặn tự thụ phấn. Đây là một ví dụ về giao phối đồng tộc âm tính. Bằng cách ngăn chặn tự thụ phấn, thực vật thúc đẩy giao phối chéo và tăng tính đa dạng di truyền.
• Trong các quần thể động vật bị cô lập, giao phối cận huyết thường xảy ra do số lượng bạn tình tiềm năng bị hạn chế. Ví dụ, trong các quần thể nhỏ trên đảo hoặc trong các khu vực bị chia cắt, các cá thể có quan hệ họ hàng gần có nhiều khả năng giao phối với nhau hơn.

• Hartl, D. L., & Clark, A. G. (2007). Principles of population genetics. Sinauer associates.
• Futuyma, D. J. (2013). Evolution. Sinauer Associates.
• Pierce, B. A. (2016). Genetics: A conceptual approach. W.H. Freeman and Company.

Câu hỏi và Giải đáp

Định luật Hardy-Weinberg giả định giao phối ngẫu nhiên. Điều gì xảy ra với tần số kiểu gen nếu quần thể không giao phối ngẫu nhiên?

Trả lời: Định luật Hardy-Weinberg dự đoán tần số kiểu gen sẽ duy trì ổn định qua các thế hệ trong điều kiện giao phối ngẫu nhiên. Khi giao phối không ngẫu nhiên xảy ra, tần số kiểu gen sẽ thay đổi. Ví dụ, giao phối cận huyết làm tăng tần số đồng hợp tử (AA và aa) và giảm tần số dị hợp tử (Aa). Giao phối đồng tộc dương tính cũng có tác động tương tự. Giao phối đồng tộc âm tính lại làm tăng tần số dị hợp tử. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng giao phối không ngẫu nhiên không trực tiếp làm thay đổi tần số alen.

Làm thế nào để đo lường mức độ giao phối cận huyết trong một quần thể?

Trả lời: Mức độ giao phối cận huyết được đo bằng hệ số cận huyết, ký hiệu là F. F đại diện cho xác suất hai alen tại một locus ở một cá thể là giống hệt nhau do tổ tiên chung. F = 0 biểu thị giao phối ngẫu nhiên, trong khi F = 1 biểu thị tất cả các cá thể đều đồng hợp tử và có quan hệ họ hàng. Có nhiều phương pháp để ước tính F, bao gồm phân tích phả hệ và so sánh tần số kiểu gen quan sát được với tần số kiểu gen dự đoán theo định luật Hardy-Weinberg.

Ngoài inbreeding depression, giao phối cận huyết còn có những hậu quả tiêu cực nào khác?

Trả lời: Ngoài inbreeding depression (giảm khả năng thích nghi do tăng tần số các alen lặn có hại ở trạng thái đồng hợp tử), giao phối cận huyết còn có thể dẫn đến: giảm đa dạng di truyền, giảm khả năng thích ứng với môi trường thay đổi, giảm khả năng sinh sản, tăng nguy cơ mắc bệnh di truyền, và tăng tỷ lệ dị tật bẩm sinh.

Heterosis là gì và nó liên quan như thế nào đến giao phối không ngẫu nhiên?

Trả lời: Heterosis, còn được gọi là hybrid vigor, là hiện tượng con lai có sức sống và khả năng sinh sản vượt trội so với bố mẹ. Điều này thường xảy ra khi lai giữa các dòng hoặc quần thể khác nhau về mặt di truyền (giao phối xa), dẫn đến sự che lấp các alen lặn có hại ở trạng thái dị hợp tử và tăng cường biểu hiện của một số gen có lợi.

Làm thế nào để phân biệt giữa giao phối đồng tộc dương tính và giao phối đồng tộc âm tính? Cho ví dụ cụ thể.

Trả lời: Giao phối đồng tộc dương tính xảy ra khi cá thể có xu hướng giao phối với những cá thể có kiểu hình tương tự. Ví dụ, ở người, chiều cao thường thể hiện giao phối đồng tộc dương tính, người cao thường kết hôn với người cao. Giao phối đồng tộc âm tính xảy ra khi cá thể có xu hướng giao phối với những cá thể có kiểu hình khác biệt. Ví dụ, ở một số loài thực vật, hệ thống tự không tương thích ngăn cản sự tự thụ phấn và thúc đẩy giao phối chéo giữa các cá thể có kiểu gen khác nhau ở locus kiểm soát sự tương hợp phấn hoa-nhụy.