Zootecnica e miglioramento genetico

Zootecnica e miglioramento genetico A.A. 2020/21

Definizioni di base

Gene → unità di trasmissione ereditaria dei caratteri. Si trovano nella cellula a coppie, servono per la produzione di DNA. I geni sono formati da introni (non codificanti) ed esoni.

Locus → esprime la localizzazione del gene nel cromosoma (es: locus delle k-caseine sul cromosoma 6).

Alleli → geni che influenzano la stessa caratteristica in modo diverso (1 paterno + 1 materno).

Cromosomi → l'insieme dei cromosomi viene detto cariotipo. Sono presenti a coppie nel genoma.

DNA → duplicazione e nuova formazione di filamenti.

Mitosi → con la divisione cellulare si parte da 1 cellula 2N → DNA raddoppia → ottengo 2 cellule 2N.

Meiosi → per la produzione di cellule germinali (spermatozoi o ovuli) con un processo fondamentale del crossing-over. Da 1 cellula diploide 2n ottengo 4 cellule aploidi n.

Crossing over → permette variabilità genetica ovvero ricombinazione. Scambiandosi parti di DNA questo processo biologico serve per il miglioramento genetico.

Fertilizzazione → formazione del gamete tramite fusione di 2 cellule aploidi. Perciò possono esistere più epigenomi.

Genomi → la grandezza del genoma nei mammiferi è simile a 3 miliardi circa.

Cromosomi sessuali → XX femmina, XY maschio.

I fondamenti della genetica mendeliana

Caratteristiche monogeniche (determinate da un solo gene o poligeniche):

• Legge della dominanza → un carattere è determinato da più geni: si parla di caratteri dominanti e recessivi che possono essere omozigoti o eterozigoti. Per omozigoti si intendono i genotipi con alleli codificanti per la stessa caratteristica (AA o aa), mentre per eterozigoti si intendono gli individui con genotipi formati da alleli codificanti per differenti caratteristiche (Aa). Conoscendo il genotipo conosco i geni presenti in un locus. In un individuo eterozigote solo l'allele dominante si esprime, ossia influenza il fenotipo. Molte patologie genetiche ereditarie sono recessive. Ci sono animali portatori sani di queste malattie.
• Legge della segregazione → quando accoppio 2 animali con geni eterozigoti (quindi che presentano carattere dominante) ottengo un rapporto 1:3; ovvero 1 omozigote recessivo, 2 eterozigoti ed 1 omozigote dominante, nella seconda generazione ritrovo in ¼ di individui con il carattere recessivo.
• Legge dell'indipendenza → l’incrocio di 2 individui, che presentano 2 caratteri indipendenti tra loro; il primo con 2 caratteri dominanti mentre il secondo con 2 caratteri recessivi si ottengono individui eterozigoti per entrambe i caratteri quindi dominanti. Ottengo un rapporto 9:3:3:1 con 16 possibili combinazioni. In esse è presente la comparsa di nuovi caratteri aumentando di conseguenza i fenotipi.

Genetica quantitativa: selezione genomica

Codominanza → nell'eterozigote non è presente un allele dominante su un altro (es. colore roano). Nella seconda generazione (ottenuta dall'incrocio di 2 individui codominanti es. roani) ho il 50% di roani il 25% omozigoti dominanti e il 25% di omozigoti recessivi. In questo caso posso conoscere il genotipo senza analisi genetica.

Epistasi → interazione di un gene in un locus. Interazione di geni a più loci per determinare un fenotipo. L'espressione genetica di un locus dipende da alleli presenti in più loci. L'epistasi è quindi una forma di interazione fra geni e si verifica quando una coppia di alleli copre l'espressione fenotipica di un'altra coppia di alleli. Es. mantello del labrador: un locus interagisce con l'altro locus (quello del colore nero B e quello dell'estensione E) si nota che la segregazione dei loci è indipendente (3° legge di Mendel):

• B_E_ => è nero
• bbE_ => è cioccolato
• __ee => è giallo

Genetica di popolazione

È lo studio delle frequenze geniche e genotipiche nella popolazione e nella predizione di tali frequenze nelle successive generazioni. Perciò si attua la selezione per cambiare le frequenze geniche nella popolazione aumentando di conseguenza gli alleli favorevoli per il carattere che ci interessa. Direttamente collegata ai concetti espressi dalle leggi di Mendel che consentono di predire la distribuzione genotipica e fenotipica nella progenie di individui che si incrociano di cui si conosce il genotipo (es. AaxAa → 1AA : 2Aa : 1 aa). Però i rapporti fenotipici e genotipici non sono sempre sicuri, ma possono verificarsi deviazioni dovute al caso ed è possibile calcolare la probabilità di tali variazioni. Per predire le frequenze fenotipiche e genotipiche di individui nati da accoppiamenti avvenuti nel totale della popolazione è necessario conoscere la probabilità che avvengano accoppiamenti tra individui di diverso genotipo. Ad esempio, in una popolazione con individui con genotipo AA, Aa, aa si deve conoscere la frequenza degli accoppiamenti tra AA e aa per poter prevedere quali saranno le frequenze genotipiche e geniche nella progenie. Quanto appena detto si può notare a livello di popolazione.

Frequenze genotipiche e geniche

Frequenze genotipiche → è la proporzione di individui in una popolazione con un certo genotipo (AA, AB, BB). È quindi la probabilità di trovare un certo genotipo nella popolazione. Es. colore del mantello (fenotipo) che si distingue (determinato da) in base al genotipo. Le frequenze genotipiche (f) sono date dal rapporto tra il numero di un determinato genotipo e il numero totale di animali.

Frequenze geniche → proporzioni di un gene rappresentate da un allele (quanto un gene è presente nella popolazione). È quindi la frequenza di un gene nella popolazione, o in altri termini è la probabilità che un gene (allele) sia presente nella popolazione. f(A) = n /2n An= numero di alleli in una popolazione. Es: n è il numero di alleli A presenti nella popolazione. 2n= numero totale di geni in una popolazione diploide. Numero di alleli A è:

Numero di alleli a è:

Le frequenze geniche (A e a) possono anche essere calcolate dalle frequenze genotipiche:

Esempio=> Con colore del mantello bianco, rosso, roano che sono determinati da un particolare genotipo: Da tale esempio si possono calcolare anche le frequenze geniche, considerato che in questo campione di animali vi sono 2000 alleli:

oppure:

Le probabilità di trovare un genotipo nella stessa popolazione, ma in un altro campione equivalgono alle frequenze stimate: P(AA) = f(AA) P(A) = f(A) Dopo aver ottenuto frequenze geniche e genotipiche voglio vedere cosa ottengo tramite accoppiamento nella generazione successiva.

Accoppiamento casuale

Detto anche panmissia, è un sistema di accoppiamento nel quale ciascun individuo ha la stessa opportunità di accoppiarsi con individui dell'altro sesso. È base di confronto per altri schemi di accoppiamento. La probabilità di accoppiamento casuale tra due animali di un certo genotipo è il prodotto delle frequenze dei due genotipi nella popolazione. Probabilità di accoppiamento di animali con un determinato genotipo; considero tutti i casi di genotipi possibili:

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 restano costanti da una generazione all'altra. Una popolazione si dice in equilibrio se risponde alla legge di Hardy-Weinberg. Nello sviluppo di un modello ad un locus la popolazione in equilibrio viene presa come riferimento per valutare casi differenti. Ad esempio, in caso di accoppiamento non casuale le frequenze geniche e genotipiche nella popolazione cambiano rispetto all'accoppiamento casuale. Inoltre, possiamo valutare l'impatto di migrazione e selezione sulle frequenze geniche e genotipiche nella popolazione. Lo studio delle cause che alterano le frequenze geniche e genotipiche in un modello ad un locus permette di comprendere l'effetto del processo di miglioramento genetico sulle frequenze geniche nelle popolazioni e come questo si rifletta nel fenotipo.

Assumiamo una popolazione in equilibrio con f(B)=p e f(b)=q, cioè le frequenze degli alleli B e b. Sotto le condizioni della legge di Hardy-Weinberg i geni si uniscono a coppie casualmente. Ciascun genotipo=> 2 geni (alleli). La probabilità di avere 2 geni B nel genotipo sui due cromosomi omologhi è quindi: p*p = p². Nella generazione di una progenie i gameti B e b si uniscono quindi in modo del tutto casuale e per tutte le combinazioni abbiamo [cioè calcolo della frequenza di accoppiamento (probabilità di unione) degli alleli nei gameti (spermatozoo e cellula uovo)]: possiamo notare che la frequenza genotipica è uguale a quella parentale. Quindi nella progenie=> f(BB)=p² f(Bb)=2pq f(bb)=q². f(B) = f(BB) + ½f(Bb) = p² + pq = p(p+q) = p. f(b) = ½f(Bb) + f(bb) = pq + q² = q(p+q) = q². Per tutte le frequenze genotipiche: (pB + qb)² = p BB + 2pqBb + q bb. Sia la somma delle frequenze geniche che genotipiche è uguale a 1: p+q=1 p² +2pq+q² =1.

Calcolo delle frequenze

Se la popolazione è in equilibrio le frequenze geniche possono essere calcolate dalle frequenze genotipiche anche nel seguente modo:

Se non è in equilibrio tuttavia:

Esempio numerico: Calcolo delle frequenze geniche e genotipiche (distribuzione del colore del mantello) in 1000 bovini Angus:

Se la popolazione è in equilibrio:

Da cui: f(B)= p= 1-q= 1-0.6= 0.4. I genotipi BB e Bb avranno quindi frequenza: f(BB)= p² = 0.4² = 0.16. f(Bb)= 2pq= 2*0.6*0.4= 0.48.

Popolazione non in equilibrio

Se una popolazione non è in equilibrio lo raggiunge:

• Dopo una generazione se le frequenze geniche sono le STESSE nei maschi e nelle femmine della generazione parentale. MA se le frequenze geniche sono DIVERSE nei maschi e nelle femmine la popolazione raggiunge l'equilibrio dopo 2 generazioni di accoppiamento casuale.

Assumiamo di aver osservato le seguenti frequenze fenotipiche in una popolazione di bovini Shorthorn sia nei maschi che nelle femmine: Possiamo distinguere i 3 genotipi corrispondenti e osservare che manca il fenotipo bianco e il corrispondente genotipo rr, ossia f(rr) = 0. Quindi questa popolazione NON è in equilibrio. Le frequenze geniche saranno:

In questo caso capisco che la popolazione non è in equilibrio perché ho una frequenza genotipica dello 0% nel colore bianco (perché dovrei fare .2 x.2). La popolazione sarebbe in equilibrio se i tre fenotipi (genotipi) fossero distribuiti come segue:

Se accoppio in modo casuale gli animali di questa popolazione utilizzando la tabella di P dell'unione dei gameti: Con f(B)= 0.8 e f(b)= 0.2. Le frequenze genotipiche nella progenie sono: f(RR)= .64 f(Rr)= .32 f(rr)= .04. La popolazione è ora in equilibrio. MA se le frequenze geniche dei maschi e delle femmine sono diverse e NON IN EQUILIBRIO ottengo l'equilibrio DOPO 2 generazioni:

Esercizio da fare: calcolare le frequenze geniche e genotipiche effettuando due generazioni di accoppiamento casuale e verificare l'equilibrio sia alla prima che alla seconda generazione. Femmine: Maschi:

Forze che cambiano le frequenze geniche e genotipiche

Esistono delle deviazioni dalla legge di Hardy-Weinberg.

• Accoppiamento non casuale → Gli accoppiamenti non avvengono casualmente ma sono determinati da regole che influenzano le possibilità di accoppiamento. Gli animali, infatti, non possono sempre accoppiarsi con quelli dell'altro sesso ma ci sono delle regole che determinano quali possono avvenire e quali no (regolazione dell'accoppiamento). Ci sono 2 tipi di accoppiamento:
  • Assortativo positivo → permesso solo a individui con caratteristiche simili, ad esempio con STESSO FENOTIPO.
  • Assortativo negativo → permesso solo a individui con caratteristiche diverse, ad esempio con DIVERSO FENOTIPO.

L'accoppiamento NON casuale (in assenza di selezione) altera le frequenze genotipiche ma NON GENICHE e le regole che controllano gli accoppiamenti influenzano anche le frequenze dei differenti accoppiamenti nella popolazione e quindi le probabilità di unione tra gameti di ciascun sesso → di conseguenza influenza la probabilità di alleli che determinano ad esempio il colore del mantello.

Accoppiamento assortativo positivo: Si assuma aa il genotipo di animali acorni. In accoppiamento casuale la probabilità che un maschio aa si accoppi ad una femmina aa, data q la frequenza di aa sia nei maschi che nelle femmine è: P(aa * aa ) = P(aa ) * P(aa ) = m f m f = q². Nell'accoppaimento assortativo positivo la P (probabilità) che una femmina sia aa è SEMPRE q², ma la P che sia accoppiata ad un maschio acorne è del 100%, ossia è 1*q :

La strategia di accoppiamento assortativo positivo aumenta quindi la frequenza degli accoppiamenti tra animali dello stesso fenotipo (nel nostro caso acorni=> aa). Esempio con colore del mantello: esempio con popolazione IN EQUILIBRIO e secondo la regola di ACCOPPIAMENTO ASSORTATIVO POSITIVO: tramite una regola separo gli animali di un determinato fenotipo in un recinto rispetto a quelli di un altro fenotipo: prendo femmine con fenotipo di colore rosso e --> LE PORTO nel recinto con i maschi con fenotipo rosso da P del 100% (lo stesso anche negli altri casi). Si accoppiano quindi le femmine di una popolazione con un maschio dello stesso fenotipo. Si nota che nella progenie le frequenze fenotipiche sono cambiate. Nella progenie le frequenze genotipiche saranno quindi (sommando per colonna): f(RR) = p² + ½pq f(Rr) = pq f(rr) = ½pq +q². Le frequenze genotipiche sono diverse rispetto alla generazione precedente, ma le frequenze geniche sono identiche:

Accoppiamento assortativo negativo: Esempio con popolazione IN EQUILIBRIO e secondo la regola di ACCOPPIAMENTO ASSORTATIVO NEGATIVO. Accoppiamo gli animali secondo una regola dettata dal fenotipo ma in questo caso NON accoppiamo animali con lo stesso fenotipo ma con FENOTIPO DIVERSO. Esempio: stavolta posso accoppiare solo femmine rosse con maschi neri (ma i genotipi possibili sono 2 Bb o BB, eterozigoti ed omozigoti). Nei bovini di razza Shorthorn il colore del mantello è determinato da una coppia di alleli codificanti per il colore nero (B) e per il colore rosso (b) con dominanza completa di B su b. Data la seguente popolazione si accoppino femmine con maschi di fenotipo differente: caso 1°: femmine rosse e maschi neri-> ½ fa riferimento a metà di maschi etero e omozigoti caso 2°: femmine nere e maschi rossi-> 1 fa riferimento ai maschi che essendo rossi hanno un solo fenotipo.

Migrazione

Per migrazione si intende il movimento di individui da una popolazione all'altra. Anche l'utilizzo di seme di tori importati nella popolazione nazionale si può considerare un fenomeno di migrazione. Si supponga che la frequenza genica di un allele a sia q (f(a)= q ) nella popolazione 1 e q (f(a)= q ) nella1 1 2 2 popolazione 2 e si abbia una migrazione di n individui dalla popolazione 2 alla 1. La popolazione 1 diviene di conseguenza più numerosa. La proporzione di individui che migrano da una popolazione all'altra può essere misurata con: m= proporzione di animali migrati dalla popolazione 2 1-m= proporzione di animali nativi n = numero di animali migrati dalla popolazione 2 2n = numero di animali della popolazione 1 1 f(a) frequenza del locus per l'allele a.

Cosa succede se cambiano le frequenze geniche nelle popolazioni? La popolazione 1 è formata da 2 sottopopolazioni. Dopo la migrazione le frequenze GENICHE della popolazione 1 quindi SONO CAMBIATE: Il cambiamento dipende quindi:

• Dalla proporzione di animali migrati
• Dalla differenza delle frequenze geniche nelle due popolazioni

Se le 2 popolazioni hanno la stessa frequenza genica m(q2-q1) = 0 -> essendo le 2 frequenze uguali la migrazione non causa cambiamento. Se invece voglio vedere se le frequenze delle 2 popolazioni sono diventate simili dopo la migrazione: la differenza delle frequenze geniche tra le due popolazioni è minore dopo la migrazione.

Caratteri quantitativi determinati da più loci

Selezione modello ad un locus: per capire poi la selezione genomica (come modello ad un locus su tutti i loci presenti sui marcatori sui chip SNP). Selezione:

Si intende una forza che causa il cambiamento delle frequenze geniche:

• Naturale → Nella selezione naturale la forza che causa il cambiamento delle frequenze geniche in una popolazione è costituita principalmente dall'ambiente, che influenza la probabilità che un particolare fenotipo sopravviva e si riproduca.
• Adattamento "Fitness" → capacità di un fenotipo e dal relativo genotipo a sopravvivere e riprodursi in un dato ambiente.
• Artificiale → regole dettate dalla specie umana per controllare la probabilità che un individuo sopravviva e si riproduca.

Quest'ultimo può essere rappresentato dall'influenza dell'ambiente:

1. Allevamento intensivo: ambiente artificiale
2. Allevamento estensivo: ambienti di montagna

Adattamenti del genotipo

1. Dominanza completa
2. Dominanza incompleta o codominanza
3. Sovradominanza (eterozigote più efficiente dell'omozigote)

p0 = tempo 0 ovvero momento della nascita degli animali.

Dominanza completa: Utilizziamo come primo esempio un modello ad un locus in cui vi sia dominanza completa. Consideriamo un locus autosomico biallelico (A e a) in cui l'allele A sia legato ad una maggiore capacità di sopravvivenza. In termini di adattamento avremo quindi: AA = Aa > aa.