Fondamenti di miglioramento genetico

Fondamenti di miglioramento genetico

Piante e genetica

Come si possono usare le leggi della genetica per migliorare famiglie/popolazioni di piante.

• Genetica di popolazione, dei caratteri quantitativi su base molecolare, controllo genetico della popolazione e miglioramento genetico delle piante.
• Struttura del genoma delle piante, biologia molecolare e miglioramento genetico.

Libri di riferimento

• Volume 2 e 3 Barcaccia e Falcinelli ➔ Genetica e genomica Liguori Editore
• Russell ➔ Genetica Edises
• Brown ➔ Genomi Edises

Ricevimento: Martedì dalle 15 alle 17, mandare mail.

Modalità di esame

3 compiti in itinere con possibilità di miglioramento oppure esame orale.

Fondamenti di miglioramento genetico classico

Il miglioramento genetico classico è basato sull’incrocio e sulla selezione. La genetica è la scienza che studia le leggi che regolano la trasmissione dei caratteri, nasce con Mendel. Il miglioramento genetico applica le leggi della genetica a scopo di migliorare popolazioni e individui secondo un carattere scelto. Significa migliorare in modo stabile le caratteristiche di un organismo al fine di una maggiore produzione, qualità ecc.

Ogni caratteristica di un organismo è determinata da fattori genetici e ambientali P = G + E dove G ed E hanno una certa preponderanza degli uni dagli altri. Il controllo genetico di un carattere può essere più o meno complesso, i più semplici sono i caratteri monogenici (un gene- un enzima, es. colore, forma ecc.). I caratteri monogenici sono in realtà determinati da più geni che agiscono in serie, basta interrompere la catena in un punto e non si ha la determinazione del carattere (come nel caso del colore dei piselli usati da Mendel).

I caratteri poligenici sono determinati da più geni, i quali effetti sono additivi tra di loro (azione in parallelo di più geni). Questi caratteri sono detti anche quantitativi (altezza, produttività, resistenza a condizioni avverse). L’ambiente può modificare anche notevolmente l’espressione di un certo carattere, sia monogenico che poligenico. In particolare quelli poligenici sono quelli più influenzati e ciò li rende i più difficili da trattare. Per modificare il fenotipo si può agire a livello dell’ambiente (agricoltura industriale crea le condizioni ottimali per la crescita della pianta) e in questo caso ci deve essere un controllo continuo dell’ambiente (non sempre possibile e può causare problemi ambientali), si può anche agire modificando il genotipo della pianta. Lo scopo del miglioramento genetico è l’azione sul genotipo, in particolare su quei geni ereditabili in modo tale da ottenere una modifica stabile.

Il miglioramento genetico applica le forze che già agiscono in natura durante l’evoluzione, ovvero l’apparire di forme particolari e la scelta di queste forme rispetto alle altre. È necessaria una variabilità genetica che può derivare sia da elementi naturali, che da modifiche create dall’uomo, la quale determina nuove forme che poi verranno selezionate artificialmente. Il miglioramento genetico è molto più veloce della selezione naturale, perché è l’uomo a decidere che forme creare e quali poi selezionare. Questa è la ragione per cui dall’inizio dell’agricoltura si sono create delle piante coltivate con caratteristiche molto diverse dalle progenitrici naturali.

Nel XX secolo la conoscenza delle leggi genetiche che regolano la trasmissione dei caratteri ha consentito di rendere ancora più efficiente il processo di incrocio e selezione. La scoperta del DNA e la sua caratterizzazione funzionale hanno inoltre aperto la strada alla manipolazione del DNA stesso per ottenere mutanti più produttivi e più adatti ai diversi ambienti. Il miglioramento genetico è stato applicato soprattutto per aumentare la produttività delle piante in modo tale da ottenere più cibo, anche se ciò ha causato una diminuzione della biodiversità. Il cambiamento climatico sempre più veloce sta causando problemi di adattamento delle piante, così come la migrazione di patogeni in aree in cui non erano precedentemente presenti.

Per contrastare il climate change, oltre ad accordi tra nazioni sull’ambiente, è necessario agire modificando geneticamente le piante per riadattarle all’ambiente che cambia. Per far ciò è necessario accettare le tecniche di miglioramento.

Genetica di popolazioni

Studia le caratteristiche e le proprietà genetiche di una popolazione, il numero di componenti di una popolazione e la dinamica delle successive generazioni, le frequenze geniche e genotipiche e i processi genetici che alterano l’equilibrio di una popolazione.

Popolazione mendeliana: una popolazione di cui si considera un locus con due alleli che seguono le leggi di Mendel.

Popolazione panmittica: una popolazione che non presenta accoppiamenti preferenziali dei gameti. Noi possiamo prevedere le frequenze con cui avvengono gli incroci.

Le leggi della genetica di popolazioni sono da considerare su popolazioni infinite, perché le popolazioni finite sono caratterizzate da modificazioni che alterano il numero. I fattori che modificano il numero di componenti di una popolazione sono morte, nascita e migrazione.

La dinamica con cui cambia il numero di componenti di una popolazione è diversa a seconda che si abbiano popolazioni sovrapposte (piante perenni, uomo), o generazioni separate o discrete (quando non c’è coesistenza fra generazioni).

Nelle generazioni separate:

N₀ = numero iniziale
N₁ = numero alla prima generazione
W = numero di figli per individuo (costante) tasso di riproduzione
N_n = W × N₀ → N = N₀ × W = N₀ × W² × Wⁿ → N_n = N₀

Nelle generazioni sovrapposte: considerando r = frazione della popolazione che ha prodotto un discendente nell’unità di tempo dt. Dopo un tempo dt la popolazione sarà composta da N + rN, cioè la variazione della popolazione nell’unità di tempo dN/dt= rN.

N_t = N × e^r con r detto coefficiente malthusiano. r = ln W

Consideriamo una popolazione composta da gruppi geneticamente differenti, il numero di individuo che formerà quella popolazione sarà N_n = A × W_n + B × W_n, ma a seconda del proprio tasso di riproduzione (fitness genetica), uno dei due gruppi prenderà il sopravvento sull’altra e la sostituirà. Se una popolazione è costituita da due genotipi diversi con fitness genetica diversa, dopo un tot di anni noi troveremo che tale popolazione è composta dal genotipo con fitness più elevata. La fitness può essere riferita al genotipo intero, o al singolo allele, se la fitness di due alleli è diversa, questo è sufficiente a cambiare le frequenze di tali alleli nella popolazione. Un allele si affermerà a discapito dell’altro. Lo scopo della genetica di popolazioni è lo studio delle variazioni delle frequenze geniche (alleliche) e delle frequenze genotipiche.

La legge di Hardy-Weinberg

In una popolazione mendeliana con due alleli A e a ci sono 3 genotipi possibili: AA, aa e Aa.

Definizione della legge: in una popolazione infinitamente grande, ad accoppiamento casuale, sulla quale non agiscono forze evolutive, le frequenze alleliche non variano con il tempo e dopo una generazione di accoppiamento casuale, le frequenze genotipiche si stabiliranno sulle proporzioni: p² (per AA) 2pq (per Aa) q² (per aa) dove p e q sono le frequenze alleliche di A e a rispettivamente.

Assunzioni

1. È teoricamente impossibile avere una popolazione infinitamente grande, ma esistono popolazioni costruite con lo scopo di mantenere l’equilibrio di Hardy-Weinberg, che in natura è impossibile ottenere. In una popolazione naturale si verifica deriva genica, che se la popolazione è piccola può portare a variazioni significative delle frequenze geniche.
2. Gli accoppiamenti fra genotipi avvengono con la stessa proporzione dei genotipi nella popolazione, la probabilità che due individui si incrocino è uguale al prodotto delle loro frequenze genotipiche. La condizione di accoppiamento casuale non è una condizione realista per i genotipi, ma è possibile per tutti i geni ad effetto neutro, ad esempio gli alleli del gruppo sanguigno. L’equilibrio di H-W si applica a tutti quei loci per i quali avvenga accoppiamento casuale, anche se questo non avviene per altri loci.
3. Selezione, mutazione e migrazione agiscono come forze evolutive e vanno a modificare l’equilibrio di H-W. Anche in questo caso la condizione che nessuna forza evolutiva agisca sulla popolazione si applica al solo locus in esame: una popolazione può essere sottoposta a forze evolutive che agiscono su alcuni geni e rispettare le assunzioni di H-W per altri loci.

In caso di equilibrio di H-W abbiamo che le frequenze alleliche sono costanti nelle generazioni e la loro somma è pari a 1 (p + q = 1). Le frequenze genotipiche saranno costanti dopo una generazione di accoppiamento casuale, nelle proporzioni p² + 2pq + q² = 1.

Esempio

Popolazione L (A, a), a dominanza incompleta (es. colore del fiore in specie anemofila):

• Fiore rosso (AA) 60
• Fiore rosa (Aa) 100
• Fiore bianco (aa) 40
• Popolazione totale = 200
• Alleli totali = 400

Frequenze alleliche: p = 0,55 (220/400) e q = 0,45 (180/400)
Frequenze genotipiche attese: p² = 0,302 q² = 0,202 2pq = 0,495
In valori assoluti: AA 60,5 aa 40,5 Aa 99,
Chi quadrato = Somma (O – E)²/E,
Gradi di libertà: 1 perché il valore di p determina quello di q e viceversa.
Chi quadrato = 0,0041 + 0,0062 + 0,0101 = 0,0204.

La differenza fra valori osservati e attesi non è significativa: la popolazione è in equilibrio.

Test del chi quadro vedi appunti di genetica e libro di genetica, vedi slide formula del chi quadro non tutte le classi che consideriamo possono variare, per questo vengono introdotti i gradi libertà (numero totale di classe-1). Quando ci sono solo due variabili (come nel caso dell’esempio nelle slide) c’è un solo grado di libertà. Se le probabilità sono minori del 5%, l’ipotesi nulla viene scartata. Più il chi quadro è alto e più i valori osservati distano da quelli attesi.

La legge di H-W si usa per stimare le frequenze geniche, ad esempio stimare la frequenza di eterozigoti per malattie (fenilchetonuria). Sulla base delle frequenze è possibile stimare la frequenza degli eterozigoti nelle popolazioni partendo dalla frequenza degli omozigoti recessivi. La legge di H-W costituisce la base teorica per l’uso in agricoltura delle varietà sintetiche, varietà libero-impollinate all’equilibrio che mantengono le frequenze geniche e genotipiche (e quindi le caratteristiche generali) per 3-4 generazioni.

Equilibrio di Hardy-Weinberg

È valido per popolazioni teoriche, cioè:

1. Numericamente infinite (o almeno molto grandi) e in cui ogni individuo abbia la stessa probabilità di incrociarsi con qualsiasi altro.
2. In cui gli alleli non siano soggetti a mutazioni.
3. In cui non ci sia selezione (cioè tutti i genotipi hanno uguale fitness).
4. Non ci sia migrazione, né deriva genetica.

Nella realtà:

• Le popolazioni infinite non esistono ed è più facile che si incrocino due individui vicini piuttosto che lontani.
• Le mutazioni avvengono (anche spontanee).
• La selezione (naturale) esiste.
• La migrazione è sempre possibile perché nessuna popolazione è veramente chiusa e la deriva genetica è un processo casuale, non prevedibile, che può attuarsi in qualsiasi momento.

Mutazione

La mutazione è una variazione ereditabile del patrimonio genetico ed è completamente casuale.

Effetto della mutazione sulle frequenze geniche:

Supponiamo che μ frequenza di mutazione da A ad a. Se una popolazione è costituita solo da individui AA, alla 1^° generazione ci sarà q = μp = 1 – μ
Se invece frequenza di A = p₀ frequenza di a = q₀
Sarà q₁ = μ (1 – q₀) + q₀
q₂ = μ (1 – q₁) + q₁ dopo due generazioni
q_n = μ (1 – q_n-1) + q_n-1 dopo n generazioni
(1 - μ)ⁿ = (1 - q_n) / (1 – q₀)

All'esame non chiede la dimostrazione delle formule:
n ln (1 – μ) = ln (1 - q_n) / (1 – q₀)
n = [ln (1 - q_n) / (1 – q₀)] / ln (1 – μ)
n è il numero di generazioni necessario per passare da una frequenza di a pari a q₀ ad una frequenza pari a q_n, con un tasso di mutazione pari a μ.
La mutazione (spontanea) è una forza che cambia le frequenze alleliche in modo estremamente lento, si verifica una mutazione con una frequenza di 10^-6. Se esiste un tasso di mutazione, esiste anche un tasso di retromutazione il quale rende ancora più grande il numero di generazioni che servono per ottenere una mutazione.

Δq = μp – νq dove μ e ν sono le frequenze di mutazione e retromutazione rispettivamente. All’equilibrio Δq è pari a zero.

Selezione

È l’insieme dei fattori che tendono a favorire o meno l’affermazione di un certo genotipo (inteso come insieme di geni) aumentando o diminuendo (nella popolazione) le frequenze degli alleli che lo compongono. Consiste nel modificare le frequenze alleliche.

Un tasso di riproduzione (fitness) ω = 1 implica che il coefficiente di selezione s = 0. La fitness media di una popolazione sarà data dalla fitness di ogni genotipo moltiplicata per la sua frequenza: ω = Σ (frequenza x fitness).

Le frequenze dei vari alleli in una popolazione dipendono anche dalla fitness del genotipo che li contiene.

Migrazione

È lo scambio di geni fra due popolazioni. All’equilibrio, le frequenze degli alleli delle due popolazioni saranno uguali. Una popolazione grande non è molto influenzata da una migrazione, al contrario una popolazione piccola ne è fortemente modificata.

Deriva genetica

È un processo casuale che porta alla sostituzione di alleli nelle popolazioni. Si differenzia dalla selezione (e dalla migrazione) che sono invece processi sistematici (non casuali). Considerano una piccola popolazione di 50 individui (25 maschi MM e 25 femmine NN), si formano 25 coppie ciascuna con 2 figli. I 50 figli saranno tutti MN e a loro volta formeranno altre 25 coppie. È possibile che nei figli di queste ultime coppie l’allele N venga perso (con una probabilità molto bassa).

Caratteri quantitativi

I caratteri quantitativi sono caratteri metrici, cioè misurabili, con distribuzioni di frequenze continue; sono determinati da molti geni, localizzati sui cromosomi, concatenati con altri geni e che manifestano effetti di interazione genica (dominanza, epistasi ecc.).

I fattori ereditari interessati ai caratteri quantitativi sono i poligeni. Un sistema poligenico è l’insieme dei fattori che controllano la variabilità di un carattere quantitativo.

Esperimento Nilsson-Ehle

Incrociò 2 tipologie di grano: una bianca e una rosso scura. L’incrocio dava piante con caratteri intermedi. Facendo l’autofecondazione della F1 si andarono a contare 7 classi fenotipiche diverse. L’ipotesi di Nilsson-Ehle era che il fenotipo fosse influenzato non da uno ma da 3 geni diversi (il grano ha origine esaploide e dà una segregazione in 64esimi). In realtà questo non è un carattere quantitativo perché è un gene che si ripete 3 volte: quello che conta è il numero di alleli dominanti e non la tipologia dell’allele. È un carattere dove si dimostra un’alta additività e questo tipo di gaussiana ottenuta ricorda molto l’andamento dei caratteri quantitativi (si dimostra grazie all’esperimento che anche i caratteri quantitativi hanno una base mendeliana).

Esperimento Emerson-East

Incrociò 2 tipologie di mais: a spiga corta e a spiga lunga. La F1 dava spighe intermedie e la F2 dava un valore medio analogo a F1 ma con variabilità molto maggiore. Quando si arriva alla F2 però non si ha una segregazione mendeliana, quindi la variabilità all’interno delle linee parentali e della F1 è di origine ambientale. In F1 il carattere analizzato si presenta intermedio tra le linee parentali, mentre la F2 presenta una variabilità intorno alla media maggiore rispetto alla F1 dovuta ad una maggiore variabilità genetica creata dalla segregazione e dalla ricombinazione.

Teoria multifattoriale della variabilità quantitativa

East prese 2 linee pure di Nicotiana longiflora e misurò la lunghezza della corolla. La F1 presentava una lunghezza intermedia mentre la F2 una più variabile. In quest’ultima generazione però non ricomparvero i parentali ed East cercò di vedere cosa succedeva in una F3 di 9 piante F2 diverse. I risultati furono diversi e anche la variabilità interna alle progenie era diversa. Stesso discorso per la F4.

Dati questi risultati, possiamo immaginare che i meccanismi di trasmissione ereditaria proposti da Mendel possano applicarsi anche ai caratteri quantitativi, determinati da più geni. Ne deriva che:

1. Le differenze fra i genitori sono di origine genetica; la variabilità interna ai gruppi di parentali è di origine ambientale.
2. In F1 la variabilità interna è paragonabile a quella dei parentali, quindi di origine ambientale.
3. Nelle F2 la variabilità interna è maggiore rispetto ai parentali e alla F1, ed è quindi sia di origine genetica che ambientale.
4. F3 prodotte da individui F2 diversi possono essere diverse (per media e variabilità).
5. F2 diversi da...

(Testo non completo).