Zootecnica e miglioramento genetico

Zootecnica generale e miglioramento genetico

Programma

• Principi di genetica (locus, geni, frequenze geniche e genotipiche)
• Leggi di Mendel e deviazioni di leggi di Mendel
• Leggi di Hardy Weinberg, accoppiamento casuale e non casuale, migrazione, selezione
• Principi di genetica quantitativa
• Modello ad un locus, media di popolazione, deviazione di dominanza, valore riproduttivo
• Parentela e consanguineità
• Processo selettivo nelle popolazioni zootecniche
• Modello simbolico, parametri genetici (ereditabilità e ripetibilità)
• Organizzazione del sistema allevatori, i controlli funzionali
• Caratteri riproduttivi, curva di lattazione, caratteri funzionali
• Obiettivo di selezione e indici di selezione composti
• La scelta dei riproduttori - valore riproduttivo e attendibilità
• I marcatori genetici
• La selezione genomica
• Gli schemi di selezione con selezione genomica
• Il certificato genealogico
• Il processo genetico atteso
• I programmi di selezione nelle popolazioni zootecniche in Italia

Principi di genetica e leggi di Mendel

Nozioni generali

Gene - È una porzione di DNA che contiene le informazioni necessarie per la sintesi di un prodotto biologico funzionante (trascritte a RNA e poi a proteine). Nella cellula si trovano a coppie. È costituito da regioni che si chiamano introni (regioni non codificanti) e esoni (regioni codificanti), e ogni gene può averne un numero diverso. Le regioni intergeniche sono quegli spazi tra un gene e l’altro.

Locus - Esprime la localizzazione del gene nel cromosoma - per esempio i loci delle K-caseine (una delle 4 caseine del latte) si trovano sul cromosoma 6.

Alleli - Sono geni che influenzano la stessa caratteristica, ma in modo differente. Conoscere quali alleli compongono il genotipo dell’animale è importante per capire cosa può trasmettere alla futura generazione. Dimensione del genoma nelle diverse specie: i mammiferi hanno una lunghezza del genoma molto simile - circa 3 miliardi di basi.

Fondamenti della genetica di Mendel

Il modo in cui un gene si manifesta in un organismo determina il suo fenotipo, che viene indicato grazie alle caratteristiche osservabili. Anche se un allele recessivo non è rappresentato nel fenotipo, può essere comunque presente nel genotipo, indicato dalla coppia allelica.

Legge della dominanza - Prima legge di Mendel

Partiamo da due animali: uno con mantello rosso (femmina) e l’altro con mantello nero (maschio). Conosciamo inoltre il loro genotipo, ossia la combinazione dei due alleli per quel gene: Rosso bb - omozigote recessivo, Nero BB - omozigote dominante. Incrociando questi due animali sappiamo che verrà trasmesso solo uno dei due alleli alla progenie. Il primo può trasmettere solo b, e la stessa cosa succede con l’altro, che trasmette nei suoi spermatozoi solamente B. Il risultato sarà la nascita di tutti animali con mantello nero, ossia l’espressione fenotipica che noi osserviamo. Sappiamo però che il genotipo sarà Bb - B ricevuto dal padre e b ricevuto dalla madre. L’allele dominante mostra la sua caratteristica sia negli individui omozigoti che negli eterozigoti. Negli animali di interesse zootecnico le patologie genetiche ereditarie hanno la caratteristica di essere carrier recessive. In stalla troveremo degli animali fenotipicamente sani, ma di una patologia recessiva.

Legge della segregazione - Seconda legge di Mendel

Se accoppio i due animali con genotipo eterozigote della generazione F1, entrambi potranno trasmettere sia B che b con una probabilità esattamente del 50%. Si generano le possibili combinazioni BB, Bb, Bb, bb. In seconda generazione si ha la ricomparsa del fenotipo rosso (recessivo) che nella prima era fenotipicamente scomparso. 1/4 BB, metà Bb, 1/4 bb. Se consideriamo una vacca in allevamento, eterozigote per una patologia genetica ereditaria e quindi portatrice dell’allele a (ma sana fenotipicamente). Questa viene accoppiata con un maschio, portatore dell’allele recessivo di quella malattia: 1/4 dei nascituri esprimeranno la patologia.

Legge dell'indipendenza - Terza legge di Mendel

Abbiamo a che fare con due geni che regolano l’espressione di due caratteri: il colore giallo GG / verde vv, aspetto liscio LL / rugoso rr. Se in generazione parentale F0 incrociamo GGLL con vvrr, i piselli che otterremo nella generazione filiale F1 saranno fenotipicamente gialli e lisci. Possiamo stabilire che la variante gialla è dominante sul verde e l’aspetto liscio è dominante sulla variante rugosa. A questo punto incrociamo i piselli di generazione F1, che sono eterozigoti al gene sia del colore che della forma GvLr. La comparsa di nuove varietà ci indica che ciò che viene trasmesso dal gene del colore è completamente indipendente da ciò che viene trasmesso dal gene della forma - non esiste alcun legame tra i due. Aumenta la variabilità dei fenotipi. La comparsa dei nuovi caratteri che possiamo osservare.

Codominanza

Nel genotipo eterozigote non c’è un allele dominante sull’altro. Accoppiando un toro a mantello bianco (rr) con una vacca a mantello rosso (RR), in F1 il colore del mantello risulterà intermedio tra bianco e rosso (Rr) manto roano. Accoppiando gli individui della generazione F1, abbiamo la segregazione di R e r, con conseguente ritorno dei fenotipi della generazione parentale F0 - 50% eterozigoti, 25% rosso e 25% bianco. La differenza con legge della segregazione è che in quel caso non possiamo definire il genotipo degli individui con il manto nero basandoci solamente sul fenotipo, posso essere eterozigoti Bb oppure omozigoti BB.

Epistasi

È l’interazione di geni a più loci, che si definisce come ‘effetti genetici di interazione’ = geni che interagiscono nel determinare l’espressione fenotipica che noi possiamo osservare. Il mantello del Labrador Retriever, per esempio, può essere nero, cioccolato oppure giallo e questa variabilità dipende da due loci: B = Nero e E = estensione. B_E_ Nero (B dominante su b), bbE_ Cioccolato, _ _ ee Giallo. Il colore nero al locus B dipende dal genotipo di E: se abbiamo ee (qualunque sia il genotipo del colore) il colore sarà sempre giallo.

Genetica di popolazione

Le leggi di Mendel ci permettono di predire la distribuzione genotipica e fenotipica nella progenie di individui con genotipo noto. Quando mi trasferisco a livello di popolazione, non mi interessa più conoscere attraverso le leggi di Mendel quale è la proporzione attesa se avessi a che fare con milioni di animali e tutti questi fossero eterozigoti, le leggi di Mendel sarebbero esattamente rispettate? Cosa potrebbe succedere?

La genetica di popolazione è lo studio delle frequenze geniche e genotipiche nella popolazione e nella predizione di tali frequenze nelle successive generazioni. Quello che noi osserviamo è quanto è frequente una variante rispetto all’altra e la frequenza dei genotipi nella popolazione: non ci interessa conoscere ciò che succede ad un solo locus nella trasmissione ereditaria da una generazione all’altra, ma piuttosto la frequenza degli alleli e dei relativi genotipi (AA, Aa, aa).

Le frequenze

Frequenza genotipica - La frequenza genotipica è definita come la proporzione degli individui nella popolazione con un particolare genotipo. Andiamo ad osservare a quanti individui appartiene un certo genotipo, prendendo come esempio il colore del mantello (rosso, roano, bianco) dove ogni fenotipo è determinato da un relativo genotipo. Se abbiamo una popolazione di 1000 animali, quanti sono quelli con il colore del mantello relativo al genotipo omozigote AA, eterozigote Aa e omozigote aa. Possiamo quindi calcolare le frequenze genotipiche di questa popolazione:

• f(AA) = n_AA / n_tot
• f(Aa) = n_Aa / n_tot
• f(aa) = n_aa / n_tot

La somma deve risultare 1 (il 100%).

Frequenza genica - La frequenza genica è definita come la proporzione dei geni rappresentati da un particolare allele, ossia da quanto è presente un allele nella popolazione. Se consideriamo l’allele A,

• f(A) = n_A / 2n

2n è il numero totale di alleli nella popolazione, dato che ci troviamo in popolazioni diploidi e corrisponde al doppio del numero di animali che stiamo osservando. Il numero di alleli A lo possiamo trovare come n_A = 2n_AA + n_Aa. Allo stesso modo il numero di alleli a lo possiamo trovare come n_a = n_Aa + 2n_aa. Le frequenze geniche possono anche essere calcolate partendo dalle frequenze genotipiche:

• f(A) = f(AA) + 1/2 f(Aa)
• f(a) = 1/2 f(Aa) + f(aa)

Esempio

Assumiamo di avere una popolazione di 1000 animali in cui:

Frequenze genotipiche:

• f(AA) = 360 / 1000 = 0.36
• f(Aa) = 480 / 1000 = 0.48
• f(aa) = 160 / 1000 = 0.16

Frequenze geniche:

• f(A) = (360 x 2 + 480) / 2000 = 0.6
• f(a) = (160 x 2 + 480) / 2000 = 0.4

Lo stesso risultato si può ottenere utilizzando le frequenze genotipiche come base di calcolo per le frequenze geniche:

• f(A) = 0.36 + 1/2 x 0.48 = 0.6
• f(a) = 0.16 + 1/2 x 0.48 = 0.4

Significa che in questa popolazione ci aspettiamo di trovare il 36% di animali con mantello rosso, il 48% roano e il 16% bianco. Le frequenze genotipiche trovate vengono considerate ‘stimate’ avendo registrato le frequenze genotipiche in un campione di una popolazione. Ci chiediamo quale sia la probabilità di trovare animali con mantello rosso, per esempio, in un'altra popolazione. Questa probabilità è uguale alla frequenza che abbiamo calcolato nella nostra popolazione e possiamo quindi fare una previsione in base a quello che abbiamo osservato.

Accoppiamento casuale

Abbiamo ottenuto delle frequenze geniche e genotipiche e la domanda che ora ci facciamo è: se noi dovessimo accoppiare questi animali, cosa ci aspettiamo di trovare nella generazione successiva? Le frequenze resteranno invariate o cambieranno? Se cambieranno, in che modo? La risposta dipende da in che modo accoppiamo e facciamo riprodurre i nostri animali.

Casuale - La prima modalità di accoppiamento che consideriamo è quella del sistema di accoppiamento nel quale ciascun individuo ha la stessa opportunità di accoppiarsi con individui dell’altro sesso. Non c’è alcuna forza o evento che regola le probabilità di accoppiamento tra animali. Questo tipo di accoppiamento è la base di confronto per altri schemi di riproduzione: noi potremmo pensare che non tutti gli animali si riproducano (selezione), o che alcuni animali possono migrare da una popolazione all’altra (migrazione). La probabilità di accoppiamento casuale tra due animali di un certo genotipo può essere calcolata - è il prodotto delle frequenze dei due genotipi nella popolazione.

Stiamo assumendo che le frequenze genotipiche siano le stesse sia nei maschi che nelle femmine.

Legge di Hardy-Weinberg

In condizioni di panmissia (popolazione infinita e accoppiamento casuale) e in assenza di forze che cambino le frequenze geniche (mutazione, migrazione, selezione), le frequenze geniche e genotipiche rimangono costanti da una generazione alla successiva. Quando le frequenze geniche e genotipiche rimangono costanti, una popolazione viene detta in equilibrio. Perché lo sia, le condizioni necessarie sono:

1. Elevata numerosità della popolazione. Se la popolazione non è numerosa, è più facile che avvengano eventi che cambiano le frequenze. Le popolazioni molto limitate per numerosità con possibilità di estinzione hanno un problema nella gestione e le frequenze non sono costanti;
2. Accoppiamento casuale;
3. Assenza di forze che agiscano per cambiare le frequenze geniche.

Risulta importante per gli studi di genetica di popolazione, poiché si va sempre ad osservare se le popolazioni sono in equilibrio a tanti loci, e se questi sono sotto selezione oppure no.

Assumiamo che una popolazione sia in equilibrio e indichiamo con la lettera p la frequenza dell’allele A, e con la lettera q quella dell’allele a.

• f(A) = p
• f(a) = q

Le frequenze genotipiche sono:

Sotto le condizioni della legge di Hardy-Weinberg i geni si uniscono a coppie casualmente. La probabilità di avere 2 geni p nel genotipo è calcolata come la probabilità di p x p = p². La stessa cosa la potremmo fare per tutti i possibili accoppiamenti, e quello che arriviamo ad ottenere è lo sviluppo del binomio:

(pA + qa)² = p²AA + 2pqAa + q²aa (quando la popolazione è in equilibrio)

La somma delle frequenze geniche e genotipiche deve risultare 1, quindi:

• p + q = 1
• p² + 2pq + q² = 1

Calcolo della frequenza di accoppiamento degli alleli

Se proviamo a calcolare la frequenza di accoppiamento degli alleli A e a nei gameti:

Quello che otteniamo è la probabilità di unione dei gameti:

• f(AA) = p²
• f(Aa) = 2pq
• f(aa) = q²

Le frequenze nella progenie saranno:

• f(A) = f(AA) + 1/2 f(Aa) = p + pq = p(p+q) = p quindi le frequenze sono rimaste uguali
• f(a) = 1/2 f(Aa) + f(aa) = pq + q = q(p+q) = q

Qui vediamo che in accoppiamento casuale se partiamo da una popolazione con p(A) e q(a) e la accoppiamo casualmente, quella che otteniamo nella tabella è la probabilità di unione degli alleli dei gameti che genereranno una nuova progenie con questa distribuzione genotipica. Se calcoliamo la frequenza genica nella popolazione, si osserva che resta uguale a quella nella generazione parentale. Possiamo quindi pensare di poter calcolare la frequenza di p e q partendo dalle frequenze dei genotipi semplicemente effettuando:

• f(a) = √f(aa)
• f(A) = 1 - f(a)

Tuttavia, bisogna considerare che non sappiamo se la popolazione è in equilibrio oppure no. In caso contrario:

√f(aa) ≠ f(aa) + 1/2 f(Aa), ne dobbiamo tener conto poiché molto spesso non sappiamo se la popolazione sia in equilibrio oppure no.

Esempio: Popolazione in equilibrio

Calcolo delle frequenze geniche e genotipiche in un campione di 1000 bovini di razza Angus in cui la distribuzione del colore del mantello è: L'allele B è responsabile del mantello nero e dominante rispetto all'alleale b del mantello rosso. Conosciamo il genotipo degli animali con mantello rosso, ma non di quelli con mantello nero (BB, Bb). Possiamo comunque ottenere la frequenza genica dei due alleli e dei genotipi di questi animali assumendo che la popolazione sia in equilibrio. Posso ottenere la frequenza di b:

• f(b) = q = √f(bb) = √360/1000 = 0.68

In una popolazione in equilibrio so che la somma delle due frequenze geniche deve risultare 1, quindi la frequenza genica dell'alleale B sarà 1 - q = 0.4. Ora è possibile calcolare:

• f(BB) = p² = 0.16
• f(Bb) = 2pq = 0.48

Popolazione non in equilibrio

Se la popolazione di riproduttori non è in equilibrio e vengono accoppiati casualmente, la popolazione raggiunge l'equilibrio se le frequenze geniche sono le stesse nei maschi e nelle femmine dopo una generazione, oppure dopo due generazioni di accoppiamento casuale se le frequenze sono differenti. Assumiamo di aver osservano le seguenti frequenze fenotipiche in una popolazione di 1000 bovini Shorthorn sia nei maschi che nelle femmine: Abbiamo 600 (frequenza 60%) animali con mantello rosso, 400 (40%) roano e nessun animale bianco. È evidente che la popolazione non sia in equilibrio, poiché non abbiamo un genotipo osservato per rr. Calcoliamo:

• f(R) = f(RR) + 1/2 f(Rr) = 0.6 + 0.2 = 0.8
• f(r) = 1 - f(R) = 1 - 0.8 = 0.2

Tuttavia, se accoppiamo casualmente questa popolazione come in tabella, ottengo:

• f(RR) = 0.64
• f(Rr) = 0.32
• f(rr) = 0.04

La popolazione ora è in equilibrio. Se la popolazione avesse maschi e femmine con una frequenza differente, ci vorrebbero 2 generazioni. (*Svolgere l'esercizio di calcolare le frequenze geniche e genotipiche effettuando due generazioni di accoppiamento casuale. Verificare l'equilibrio sia alla prima che alla seconda generazione).

Forze che cambiano le frequenze geniche e genotipiche

Accoppiamento non casuale - Gli accoppiamenti non avvengono casualmente, ma sono determinati da regole che influenzano le possibilità di accoppiamento. L'accoppiamento non casuale (in assenza di selezione) altera le frequenze genotipiche ma non quelle geniche. Le regole che controllano gli accoppiamenti influenzano anche le frequenze dei differenti accoppiamenti nella popolazione e quindi le probabilità di unione tra i gameti di ciascun sesso.

Accoppiamento assortativo positivo - È permesso l'accoppiamento solo tra individui con caratteristiche simili, ad esempio con uguale fenotipo.