Giảm phân, sự phát sinh giao tử và thụ tinh

1. Giảm phân (meiosis)

Giảm phân là kiểu phân bào đặc trưng cho các tế bào sinh dục, trong đó các tế bào con sinh ra (gọi chung là các giao tử) có số lượng nhiễm sắc thể giảm đi một nửa (hình 3.10).

Hình 3.10 Kết quả của giảm phân với hai lần phân chia. Ở đây cho thấy hậu quả của sự tái tổ hợp và phân chia giảm nhiễm trong giảm phân I.

Giảm phân là một giai đoạn trong quá trình phát sinh giao tử, xảy ra  ở pha trưởng thành (mature) sau khi bộ nhiễm sắc thể đã được nhân đôi ở kỳ trung gian thuộc pha sinh trưởng. Quá trình giảm phân  gồm hai lần phân chia nối tiếp nhau, giảm phân I và giảm phân II (hình 3.10). Mỗi lần phân chia này cũng được chia làm bốn kỳ. Giảm phân I (meiosis I) còn gọi là phân chia giảm nhiễm (reductional division), vì số lượng nhiễm sắc thể (2n) giảm xuống còn đơn bội (n). Trong giảm phân I, các chromatid chị em vẫn còn dính nhau trong khi các nhiễm sắc thể tương đồng phân ly. Giảm phân II (meiosis II) còn gọi là phân chia đồng đều (equational division) và rất giống với nguyên phân ở chỗ phân tách các chromatid chị em và số lượng nhiễm sắc thể giữ nguyên không đổi.

Bởi vì giảm phân là quá trình di truyền quan trọng và căn bản nhất ở cấp độ tế bào, cơ sở cho việc lý giải các quy luật di truyền và biến dị, cho nên trước khi đi vào mô tả giảm phân, cần nắm ba điểm chính sau đây: (1) Giảm phân cùng với sự thụ tinh sau đó cho phép duy trì số lượng nhiễm sắc thể ở các loài sinh sản hữu tính. (2) Giảm phân I cho phép các nhiễm sắc thể bố và mẹ khác nhau phân ly ngẫu nhiên về mỗi giao tử. (3) Sự trao đổi chéo giữa các chromatid trên các cặp nhiễm sắc thể tương đồng ở kỳ trước trong giảm phân I tạo ra các tổ hợp allele mới ở các gene khác nhau.

1.1. Giảm phân I (meiosis I)

1.1.1. Kỳ trước I (prophase I)

Đây là pha phức tạp nhất của toàn bộ quá trình giảm phân, được chia lthành năm giai đoạn khác nhau (hình 3.11a-e). Giai đoạn thứ nhất gọi là giai đoạn leptotene (sợi mảnh), đặc trưng bằng sự xuất hiện của các nhiễm sắc thể ở dạng các sợi mảnh khi nhìn dưới kính hiển vi quang học.

Kế tiếp là giai đoạn zygotene (sợi kết hợp), các nhiễm sắc thể tương đồng tiến lại gần nhau và các gene tương ứng đối diện nhau. Quá trình kết hợp của các nhiễm sắc thể tương đồng sau đó gọi là tiếp hợp (synapsis), là nét đặc trưng cơ bản phân biệt giữa giảm phân và nguyên phân. Cấu trúc gồm hai nhiễm sắc thể tương đồng chứa bốn chromatid kết cặp như vậy gọi là thể lưỡng trị (bivalent).

Giai đoạn thứ ba có tên là pachytene (sợi dày), vì lúc này các thể lưỡng trị ngắn lại và dày lên và sự tiếp hợp hoàn tất. Trong giai đoạn này có thể xảy ra hiện tượng trao đổi chéo (crossing over) hay tái tổ hợp (recombination) ở từng phần của mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng.

Giai đoạn thứ tư gọi là diplotene (sợi kép), các nhiễm sắc thể tương đồng bắt đầu tách ra, đặc biệt là ở các vùng nằm hai bên tâm động. (Dĩ nhiên, các chromatid chị em còn dính nhau ở tâm động cho tới đầu kỳ sau II). Thông thường mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng có thể có một hoặc hai vùng trong đó chúng vẫn còn kề sát nhau hoặc tiếp xúc với nhau, gọi là các hình chéo (chiasmata). Các hình chéo này (hình 3.12) là bằng chứng vật lý cho sự tái tổ hợp xảy ra sau khi các nhiễm sắc thể tương đồng đã tiếp hợp. Nói chung, có ít nhất một hình chéo trên một vai nhiễm sắc thể, nhưng dọc theo các nhiễm sắc thể thì có thể có một số hình chéo.

Giai đoạn cuối của kỳ trước I, diakinesis, được đặc trưng bằng sự ngắn lại của các nhiễm sắc thể và chấm dứt các hình chéo. Điều đó có nghĩa là, các hình chéo bị đẩy về các đầu mút của các nhiễm sắc thể. Lúc này, hạch nhân và màng nhân cũng biến mất.

a b c d e f g h i k l m

Hình 3.11 Các giai đoạn của quá trình giảm phân ở hoa hành tây (Allium cepa). Kỳ trước I gồm 5 giai đoạn: (a) leptotene, (b) zygotene, (c) pachytene, (d) diplotene, và (e) diakinesis. Tiếp theo là (f) kỳ giữa I, (g) kỳ sau I, (h) kỳ cuối I, (i) kỳ nghỉ ngắn giữa hai lần phân chia (interkinesis), (k) kỳ giữa II, (l) kỳ sau II, và (m) kỳ cuối II.

1.1.2. Kỳ giữa I (metaphase I)

Ở kỳ giữa I (hình 3.11f), các nhiễm sắc thể xếp trên mặt phẳng xích đạo thành hai vòng và các tâm động được đính vào các sợi thoi, sao cho cứ hai nhiễm sắc thể của mỗi cặp tương đồng (tức thể lưỡng trị) nằm đối diện nhau qua mặt phẳng kỳ giữa, với các hình chéo xếp thẳng hàng dọc theo nó. Sự kiện này khác biệt với kỳ giữa nguyên phân và là cơ sở cho sự phân chia giảm nhiễm và phân ly ngẫu nhiên của các nhiễm sắc thể ở kỳ sau I.

1.1.3. Kỳ sau I (anaphase I)

Vào lúc này, hai tâm động trong các nhiễm sắc thể tương đồng của mỗi thể lưỡng trị đẩy nhau ra xa, sao cho một nhiễm sắc thể của mỗi cặp tương đồng đi về một cực (hình 3.11g). Khi các nhiễm sắc thể tương đồng đẩy nhau ra, các hình chéo hoàn toàn chấm dứt. Khác với kỳ sau nguyên phân, các chromatid chị em ở kỳ sau I vẫn còn dính nhau ở tâm động.

(a)      (b)

Hình 3.12 (a) Các hình chéo trên một cặp nhiễm sắc thể. (b) Sự hình thành  các chromatid tái tổ hợp bởi một hình chéo từ hai nhiễm sắc thể tương đồng.

1.1.4. Kỳ cuối I (telophase I)

Ở hầu hết sinh vật, sau khi các nhiễm sắc thể di chuyển tới các cực thì màng nhân hình thành xung quanh chúng và tế bào này phân chia thành hai tế bào con (hình 3.11h). Tuy nhiên, các chi tiết chính xác về mặt tế bào học của kỳ cuối I còn nhiều sai biệt, đặc biệt là ở các thực vật.

1.2. Giảm phân II (meiosis II)

Giữa giảm phân I và giảm phân II thường chỉ có một kỳ trung gian ngắn ngủi gọi là interkinesis (hình 3.11i) Trong thời gian này không xảy ra sự tổng hợp DNA; mỗi tế bào chứa một bộ nhiễm sắc thể đơn bội (n), trong đó mỗi nhiễm sắc thể chứa hai chromatid chị em. Kỳ trước II (prophase II) thường xảy ra rất nhanh và không rõ nét; các kỳ còn lại tương tự như trong nguyên phân. Thật vậy, ở kỳ giữa II (metaphase II), các tâm động đính vào các sợi thoi và di chuyển về mặt phẳng xích đạo (hình 3.11k). Vào đầu kỳ sau II (anaphase II), các nhiễm sắc thể tách nhau ở tâm động và sau đó các nhiễm sắc thể con phân ly về các cực đối diện (hình 3.11l). Kỳ cuối II (telophase II) bắt đầu khi tại mỗi cực có một bộ nhiễm sắc thể đơn bội đơn (n) và màng nhân hình thành xung quanh chúng (hình 3.11m).

Như vậy, theo nguyên tắc, từ một tế bào sinh dục 2n trải qua giảm phân cho ra bốn tế bào sinh dục đơn bội, gọi là các giao tử (hình 3.10).

2. Sự phát sinh giao tử (gametogenesis)

Như đã biết, giảm phân là thời kỳ hay pha (phase) quan trọng nhất của quá trình phát sinh giao tử ở động vật và phát sinh bào tử ở thực vật. Dưới đây chỉ đề cập chủ yếu quá trình phát sinh giao tử ở động vật (hình 3.13).

Ở động vật, sự tạo thành các giao tử đực hay tinh trùng (sperm), gọi là sự sinh tinh (spermatogenesis), xảy ra trong tinh hoàn (teste) - cơ quan sinh sản đực. Quá trình này bắt đầu với sự sinh trưởng của một tế bào lưỡng bội chưa biệt hóa gọi là tế bào mẹ tinh trùng (spermatogonium). Tại pha sinh sản, tế bào này thực hiện nhiều lần quá trình nguyên phân để gia tăng số lượng tế bào mẹ tinh trùng (2n). Sau đó, mỗi tế bào này chuyển qua pha sinh trưởng, biệt hóa thành một tinh bào sơ cấp (primary spermatocyte; 2n kép). Kế đó, tế bào này trải qua pha trưởng thành với hai lần phân chia liên tiếp của giảm phân. Sau giảm phân I, một tinh bào sơ cấp cho ra hai tinh bào thứ cấp đơn bội kép (secondary spermatocyte; n kép). Sau giảm phân II, mỗi tế bào này phân chia thành hai tinh tử đơn bội (spermatid; n). Bước cuối cùng là sự biệt hóa của các tinh tử thành các tế bào tinh trùng (sperm), có cấu tạo đầy đủ các bộ phận (như đầu, cổ và đuôi dài; hình 3.13 và 3.14).

Hình 3.13 Sơ đồ minh họa quá trình sinh tinh và sinh trứng ở động vật.

Sự sinh trứng (oogenesis) hay tạo các giao tử cái ở động vật xảy ra trong các buồng trứng (ovary), cơ quan sinh sản cái. Quá trình này cũng bắt đầu bằng một tế bào mẹ của trứng (oogonium; 2n). Sau khi trải qua pha sinh sản, mỗi tế bào sinh noãn này biệt hóa thành noãn bào sơ cấp (primary oocyte; 2n kép) ở pha sinh trưởng, với kích thước tăng trưởng một cách đặc biệt. Tại pha trưởng thành, sau giảm phân I, từ noãn bào sơ cấp tạo ra một noãn bào thứ cấp (secondary oocyte; n kép) và thế cực (polar body) thứ nhất. Sau lần giảm phân II, từ noãn bào thứ cấp cho ra một noãn tử (ootid; n) và một thể cực, còn thể cực kia tạo ra hai thể cực thứ hai. Chung cuộc, từ một tế bào sinh noãn (2n) cho ra chỉ một noãn (n) kích thước rất lớn và ba thể cực (n) kích thước rất nhỏ. Nguyên nhân là do giảm phân xảy ra gần màng tế bào, nên các thể cực chỉ nhận được một ít tế bào chất và chúng vẫn còn bám trên bề mặt của trứng cho đến lúc tiêu biến, tách ra. Sự tập trung tế bào chất trong một noãn tử để rồi sau đó biệt hóa thành trứng (ovum, egg) chính là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng cho sự phát triển phôi sau khi thụ tinh.

Sự sinh tinh diễn ra liên tục ở các động vật trưởng thành sinh sản quanh năm, chẳng hạn như người và tùy theo mùa ở các động vật sinh sản theo mùa. Khả năng cho tinh trùng là cực kỳ cao ở hầu hết các động vật; một con đực (male) trưởng thành sản xuất hàng tỷ tỷ tinh trùng trong suốt quãng đời của chúng. Ngược lại, việc sinh trứng ở các con cái (female) nói chung là thấp hơn rất nhiều; chẳng hạn, một người nữ suốt đời chỉ có thể sản sinh chừng 500 trứng chín. Tất cả số trứng này phát triển thành các noãn bào sơ cấp trước khi con cái (female) được sinh ra và chúng dừng lại ở kỳ trước I cho tới tuổi dậy thì. Lúc này chúng tiếp tục giảm phân và bắt đầu chín lần lượt thành các trứng và mỗi tháng rụng một trứng. Tế bào trứng người có đường kính chừng 0,1 mm (100 μm) trong khi đó phần rộng nhất của tinh trùng có đường kính là 2,5 μm.

Ở thực vật bậc cao, sự hình thành các giao tử đực được gọi là sự hình thành hạt phấn hay phát sinh tiểu bào tử (microsporogenesis). Quá trình này giống như sự sinh tinh ở động vật ở chỗ giảm phân cho ra bốn tế bào đơn bội có cùng kích thước và tiềm năng chức năng. Sự hình thành noãn ở thực vật còn gọi là sự hình thành túi phôi hay phát sinh đại bào tử (megasporogenesis). Nó cũng tương tự như quá trình giảm phân ở động vật. Tuy nhiên, các sản phẩm sai khác nhau đáng kể.

3. Sự thụ tinh (fertilization)

Nói chung, thụ tinh (hình 3.14) là hiện tượng kết hợp ngẫu nhiên giữa các giao tử đực và giao tử cái mang bộ nhiễm sắc thể đơn bội (n) tạo thành các hợp tử (zygotes) có bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội (2n) đặc trưng của loài. Thông thường, một trứng chỉ được thụ tinh bởi một tinh trùng và tạo ra một hợp tử (hình 3.14b).

Ở các thực vật bậc cao có quá trình thụ tinh kép (double fertilization). Khi ống phấn xâm nhập túi phôi (embryo sac) và đưa hai tinh tử vào, sẽ xảy ra hai quá trình thụ tinh: một tinh tử sẽ kết hợp với noãn (egg) tạo thành hợp tử (2n) và tinh tử kia sẽ dung hợp với nhân nội nhũ (endosperm nucleus; 2n) tạo thành một nhân nội nhũ (3n). Sau đó, trong quá trình hình thành hạt, hợp tử sẽ phát triển thành phôi hạt và nhân nội nhũ sẽ phát triển thành nội nhũ nuôi phôi, gọi là phôi nhũ.

(a)       (b)

Hình 3.14 (a) Các tinh trùng nhím biển (sea urchin) vây quanh một trứng nhím biển. (b) Một tế bào trứng người vừa được thụ tinh, các nhân của tinh trùng và trứng thể hiện bằng hai hình dạng không đều nhau, có màu vàng-nâu. Khi hai nhân này dung hợp thì sự thụ tinh coi như hoàn tất.

Nguồn:  (a) Francis Leroy, Biocosmos/SPL/Photo Researchers, Inc.

(b) Phototake NYC/Dr. Nikas/Jason Burns  © 1993-2003 Microsoft Corporation.

Nguồn: thuviensinhhoc.com