Genetica e genomica ambientale

Genetica e genomica ambientale

Marcatore molecolare

Un marcatore molecolare è una sequenza di DNA che permette di identificare un organismo in base alla variabilità genetica del marcatore stesso. Viene applicato, in modo statistico, alla popolazione intera per identificare variazioni in un genoma (frammento di DNA associato a un cromosoma). Lo usiamo per misurare la variazione del genoma, suddivisa in posizioni sotto selezione (loci adattativi o non neutrali) o posizioni che non sono sotto selezione (loci neutrali). Sono usati per la selezione assistita.

• 1. Estrazione DNA
• 2. PCR o amplificazione
• 3. Elettroforesi, analisi del marcatore/i

Metodologia per l’analisi dei marcatori molecolari

PCR ("Polymerase Chain Reaction") è una tecnica che permette di amplificare ripetutamente in vitro o per via enzimatica uno specifico segmento di DNA situato tra due regioni di sequenza nucleotidica nota, producendone un numero elevato di copie.

Enzimi di restrizione sono enzimi (Endonucleasi) di origine batterica capaci di tagliare molecole di DNA a doppia elica in corrispondenza di una specifica sequenza nucleotidica (sito di restrizione) producendo frammenti di dimensioni variabili.

Ibridazione "Southern blotting" è una tecnica che permette di visualizzare uno o pochi frammenti di DNA genomico ottenuti mediante trattamento con enzimi di restrizione, separati mediante elettroforesi su gel di agarosio, trasferiti su membrana e visualizzati usando una sonda marcata mediante tracciante fluorimetrico.

Possiamo distinguere diversi tipi di marcatore in base all’applicazione. In base al numero di "Loci" (tratto di DNA):

• 1. Multi-locus – Non distinguono l’eterozigote dall’omozigote (RAPD e AFLP)
• 2. Singolo-locus – Distinguono l’eterozigote dall’omozigote (RFLP, SSR, SNPs).

SSR ("Simple Sequence Repeats", sequenze semplici ripetute) sono sequenze ripetute di DNA non codificanti, costituite da unità di ripetizione molto corte (1-5 bp) disposte secondo una ripetizione in tandem, utilizzabili come marcatori molecolari di loci. L'amplificazione PCR delle sequenze ripetute in tandem e il sequenziamento degli amplificati o analisi elettroforetica, mette in mostra e rileva polimorfismi.

SNPs (Single Nucleotide Polymorphism, polimorfismo di singoli nucleotidi) è una tecnica impiegata per la rilevazione dei marcatori molecolari di tipo codominante basata sulla valutazione di polimorfismi riconducibili a differenze di singoli nucleotidi in una sequenza genica. (Estrazione di DNA Amplificazione PCR Sequenziamento degli amplificati Analisi delle sequenze).

Un QTL (dall'inglese Quantitative Trait Locus) è una regione di DNA associata a un particolare carattere quantitativo. Il QTL è strettamente associato a un gene che determina il carattere fenotipico in questione o partecipa nella sua determinazione. Normalmente, infatti, un carattere quantitativo è determinato dalla somma dell'azione di più geni (un fenomeno detto additività). Di conseguenza, più QTL, che possono trovarsi anche su diversi cromosomi, sono associati a un singolo carattere.

Landscape genetics and genomics

Landscape genetic nasce come esigenza nel 1992 con la convenzione sulla diversità biologica. La diversità del mondo vivente è divisa in scale dalla più alta alla più bassa: ecosistema, specie, individui, diversità genetica, la quale rappresenta il livello di base della diversità biologica, va conservata ed è colei che rigenera delle specie nuove, risultando quindi importante per la sopravvivenza.

Lo scopo della landscape genetic è studiare come alleli possano diffondersi determinando variabilità genetica e studiando le problematiche ambientali associate per risolverle. Combina la genetica di popolazioni, la landscape ecology e le tecniche di analisi spaziale per quantificare esplicitamente gli effetti della composizione del paesaggio, della configurazione e della qualità della matrice sui processi microevolutivi, come il flusso genico, la deriva e la selezione, utilizzando i dati genetici neutrali e adattativi.

Il paesaggio è un'area ampia definita per certi caratteri e omogenea, dove si possono percepire le relazioni funzionali e strutturali. Sistema di modelli e processi ecologici, interagenti in modo spaziale con un’area eterogenea.

Per raggiungere gli obiettivi della landscape genetics si seguono tre passaggi:

• 1. Misurare la variazione genetica in modo da poter quantificare i processi microevolutivi a cui siamo interessati.
• 2. Quantificare l'eterogeneità del paesaggio in modo da poter catturare la composizione, la configurazione e/o la qualità della matrice del paesaggio oggetto di studio.
• 3. Collegare statisticamente l'eterogeneità del paesaggio e la variazione genetica, in modo da poter testare esplicitamente e quantitativamente le relazioni paesaggio-genetica.

Si possono fare due studi con la landscape genetics:

• 1. Studiare come la landscape ecology influenzi i processi microevolutivi.
• 2. Dedurre i processi sottostanti come la dispersione o la trasmissione delle malattie.

Ecologia e paesaggio

Ecologia: interazione degli organismi con il loro ambiente e gli ambienti in cui vivono gli organismi, sono strutturati spazialmente su una gamma di scale. L'ambiente, formato da caratteristiche chimiche e fisiche, insieme agli organismi con cui interagisce, risente della composizione del paesaggio.

Infatti, in ecologia, la forza (l'intensità) dell'interazione varia con la posizione nell'ambiente e con la distanza tra gli individui. La landscape ecology studia proprio queste interazioni dei modelli spaziali e dei processi ecologici, cerca di comprendere gli effetti della posizione e della distanza tra ambiente e organismi, su questi ultimi. Si ha quindi una relazione modello-processo, ovvero, la landscape ecology studia modelli e processi di popolazione che si verificano a diverse scale nello spazio e nel tempo.

Gran parte della teoria e della metodologia dell'ecologia del paesaggio si concentra su come caratterizzare l'eterogeneità del paesaggio, da dove proviene, come cambia nel tempo e perché è importante per i processi ecologici. L'ecologia del paesaggio studia l'interazione tra organismi e l'ambiente in cui vivono e in cui si spostano e che ha un'ampia scala e una struttura spaziale. Cerca di capire l'interazione tra gli organismi e tra loro e il paesaggio. Come caratterizzare l'eterogeneità del paesaggio, da dove viene e come cambia, capire come mai quel paesaggio è eterogeneo, lo capisco dalla causa di ciò ovvero le interazioni degli individui e tra loro e il paesaggio. Si distingue dall'ecologia perché inserisce un'estensione spaziale più ampia.

Passaggio da un concetto di omogeneità con l'ecologia non variabile, a un concetto variabile ed eterogeneo, che è dinamico e che ha rapporti con altri ecosistemi. Ecosistema, sistema complesso e adattivo. Si basano su scale spaziali e temporali, allo stesso modo sempre su queste scale lo sarà la popolazione al suo interno. Considerando la composizione spaziale del paesaggio, le sue unità elementari per capire la dinamicità e studiare la storia della popolazione (scale temporale). Nel tempo, con la risposta adattativa ai cambiamenti climatici, le foreste si riformeranno con una più bassa fitness ma con una maggiore adattabilità (piante più basse ma più adattate). Areale: zona insieme di complessi biogeochimici. Tutta la zona in cui quella specie è presente, si diffonde.

Passaggio da ecologia a landscape ecology (LE)

Tre fasi:

• 1. Riconoscimento dell’importanza delle questioni ambientali su scala mondiale. Ciò dovuto alla globalizzazione, che ha portato a un aumento della frammentazione del paesaggio, causando l’estinzione di determinate specie o la loro diminuzione di numero. Con il cambiamento climatico stiamo arrivando a una riorganizzazione delle comunità biologiche (adattamento). Il tutto su larga scala, dovendo adottare delle strategie su larga scala.
• 2. L'emersione dei concetti di scala e modello. Le interazioni di modelli e processi dipendono dalla scala, ovvero la suddivisione della biodiversità, questo perché diversi processi di popolazione dipendono e si verificano a diverse scale nello spazio e nel tempo. Ogni processo agisce su una scala caratteristica ed è influenzato dalla struttura e composizione del paesaggio di quella scala. Un'idea interessante è che sia i modelli sia i processi siano dipendenti dalla scala.
• 3. Passaggio da visione come sistemi omogenei ad eterogenei. Spazialmente variabili su scale e dinamici nel tempo.

La LE inserisce nello spazio e nel tempo, in modo esplicito e valuta, come i processi ecologici e la struttura del sistema ecologico variano, a causa dell'eterogeneità spaziale e della dinamica temporale. Questo significa che la singola variazione cambia l’intero ecosistema.

Processi tecnologici: telerilevamento, GIS, informatica, statistica. Le analisi su scala differenziata sono necessarie per la scala spaziale: la scomposizione del paesaggio in unità elementari di studio è inevitabile per comprenderne le dinamiche. La scala temporale si riferisce alla dinamica della vegetazione e alla storia della comunità umana che ha interferito con l'area in questione. La considerazione dell'uomo come fattore ecologico è inevitabile.

Le foreste, come qualsiasi ecosistema, forniscono dei servizi ecosistemici, tuttavia possono andare incontro a delle minacce come il non adattamento e non permettere la rigenerazione della specie, per questo trattare gli ecosistemi come sistemi complessi adattabili a situazioni mutevoli. Questo perché fenomeni come l’acclimatazione, adattamento, migrazione dipendono dalla diversità genetica degli individui e dalle loro dimensioni. Tutti questi fattori sono influenzati dai cambiamenti climatici, dovuti al fatto che essi influenzeranno l'areale della specie, influendo sulla loro sopravvivenza. Da ciò deriva la preoccupazione per l’estinzione delle specie e l’impossibilità di adattarsi o di migrare. Per preservare la conservazione di una specie si raccolgono dati biologici, genetici relativi alla variabilità e la gestione dell’impianto, attraverso metodi in situ o ex situ. Per permettere la sopravvivenza della specie in determinate aree in modo tale che possano anche riprodursi, la migrazione assistita ci viene in aiuto.

Migrazione assistita

Diverse azioni potenziali che consistono nel movimento assistito dall'uomo di specie in risposta ai cambiamenti climatici:

• Migrazione assistita delle popolazioni - spostamento di fonti di semi o popolazioni in nuove località all'interno dell'areale storico della specie.
• Espansione assistita dell'areale - spostamento di fonti di semi o popolazioni dall'areale attuale ad aree idonee appena al di là dell'areale storico della specie, facilitando la dispersione naturale.
• Migrazione assistita della specie - spostamento di fonti di semi o popolazioni in una località molto al di fuori dell'areale storico della specie, al di là dei luoghi accessibili dalla dispersione naturale.

Come i paesaggi influiscono sui processi di genetica e di popolazione

Gli habitat in cui vivono gli organismi variano a livello spaziale attraverso scale e questi modelli interagiscono con la percezione e il comportamento dell'organismo nel guidare processi di dinamica di popolazione, di flusso genico (gene flow) e di evoluzione adattativa. La struttura e la composizione del paesaggio sono fattori chiave nella distribuzione di popolazione e di flusso genico e vanno a interagire con le caratteristiche genetiche di ogni individuo influenzando la fitness (l'idoneità di un organismo all'ambiente, cioè il suo valore adattativo). Questi eventi sono rapidi. In questo modo vanno a studiare vecchie dinamiche adattative.

Frammentazione

Frammentazione: discontinuità delle risorse e delle condizioni ambientali, determina la plasticità genomica (studiata dall'epigenetica, dove uno stesso genotipo cambiandolo di ambiente sopravvive), ovvero l’adattamento. Gli effetti del paesaggio sulla genetica di popolazione possono essere tre:

Area

È l’effetto che l’estensione dell’habitat ha sulla fitness e flusso genico. Se c'è meno habitat, frammentazione, avrò una diversa distribuzione delle risorse e una diminuzione del flusso genico e fitness, ciò può causare una diminuzione della specie, verso l'omozigosi o la sua estinzione. Il comportamento dell’organismo e la sua attività spaziale saranno influenzati, dovrà adattarsi per sopravvivere e trovare risorse. Questo fa capire che serve un’area minima di habitat, la soglia dipende dalla specie.

Margine

La sua influenza sul movimento e sulla fitness dell’organismo. I margini sono prodotti da discontinuità naturali determinate da fattori geofisici (a volte indicati come margini "intrinseci") o fattori antropici (a volte indicati come margini "indotti"). I margini possono essere caratteristiche relativamente permanenti del paesaggio, ad esempio, se sono prodotti da discontinuità nei fattori abiotici (ad es., all'interfaccia terra-acqua), o da caratteristiche transitorie di un paesaggio, ad esempio, se sono indotti da disturbi (es. raccolta del legname).

A seconda dell'ecologia e del ciclo vitale della specie in questione, i margini possono inibire o migliorare il movimento e aumentare o diminuire la fitness. Uno dei primi effetti visibili è l’alterazione del microclima a livello del margine, ciò è dovuto ai fattori climatici (radiazione, vento, pioggia, temperature, ecc.) che vanno a modificare, ad esempio, l’umidità, l’umidità del suolo, l’intercettazione di acqua. Aumento evapotraspirazione, minor nutrimento. Aumentano i disturbi lungo il margine. Questi cambiamenti e i disturbi lungo il margine possono causare cambiamenti nella struttura e composizione della vegetazione, andando a rendere difficile lo sviluppo o insediamento di determinate specie e favorendo quello di altre.

Può agire in due modi:

• 1. Barriera: riducono il movimento creando una sottopopolazione, riducendo o bloccando il flusso genico, aumento della deriva genetica.
• 2. Corridoio: diminuisce per alcuni per altri aumenta la fitness.

Isolamento

Con l’aumento dell'eterogeneità si ha un aumento dell’isolamento, andando a diminuire il movimento, dovuto alla capacità di distribuzione e dispersione della specie stessa. Avendo meno habitat ci sono meno interazioni. Dipende se c’è collegamento con il paesaggio, se ciò che sta nel mezzo (mosaico paesaggistico) lo permette.

Possono diventare isolate in due modi:

• 1. Il margine della patch agisce da barriera.
• 2. La distanza se lo permette potrebbe permettere il movimento.

Tutto ciò varia in funzione della specie e del mosaico paesaggistico, che può influenzare la permeabilità del paesaggio ai movimenti (resistenza paesaggistica) che dipende anche dalla presenza di strutture che possono influenzare il movimento come strade, reti idrologiche.

A prescindere dalla causa dell’effetto isolamento, si ha lo stesso risultato: meno spostamenti. Questo, a sua volta, può portare alla differenziazione genetica in funzione del costo cumulativo del movimento (Isolation-By-Resistance; IBR) e portare alla perdita della diversità genetica a causa della deriva in piccole sottopopolazioni isolate dove avrò omozigosi, consanguineità e mutazioni recessive deleterie. Posso avere variazione però con ricombinazione genetica, crossing-over.

Influenza del paesaggio sui singoli organismi e variazione genetica

I genetisti valutano due componenti principali della variazione genetica: la diversità genetica e la struttura genetica. La diversità genetica è la quantità di variazione che si riscontra all’interno di un individuo, popolazione o area spaziale. La distribuzione è la distribuzione della variazione. Il paesaggio influenza dove un organismo può vivere e quanti individui vivono in un particolare luogo, ciò influenza la distribuzione e la quantità di variazione genetica. L'obiettivo della ricerca di landscape genetics è associare le differenze nelle caratteristiche genetiche di individui o popolazioni in posizioni puntuali, con la struttura e la connettività del paesaggio in cui risiedono.

Che cos’è il paesaggio?

In una prospettiva ecologica, un paesaggio è un sistema di modelli e processi ecologici interagenti a qualsiasi scala. Spazialmente, un paesaggio può essere considerato un'area spazialmente eterogenea per almeno un fattore di interesse. Dal punto di vista dell’organismo, un paesaggio può essere considerato come una distribuzione eterogenea di risorse e condizioni, come quelle che definiscono la sua nicchia ecologica, a una scala rilevante per la sua ecologia. Un punto chiave è che un paesaggio non è necessariamente definito dalle sue dimensioni. Piuttosto può essere definito come un'area spazialmente eterogenea per l’estensione (l'area all'interno del confine del paesaggio che definisce la popolazione per l'analisi). Nella landscape genetics l’oggetto in esame è solitamente la struttura genetica di popolazioni.