Miglioramento genetico

MIGLIORAMENTO GENETICO

SPECIE AUTOGAME

 MOLTIPLICAZIONE VEGETATIVA in vitro (CLONAZIONE): è possibile rigenerare

 una pianta da singole cellule differenziate (tranne da quelle che hanno perso il

nucleo (tracheidi, del libro).

A partire da MERISTEMI: serve a risanare le colture che sono o rischiano di

essere affette da virus dal momento che le cellule meristematiche sono esenti

da virus poiché continua la divisione mitotica.

A partire dall’APICE VEGETATIVO: si effettua se la coltura è esente da virus.

A partire da INTERNODI

A partire da COTILEDONI MORFOGENESI DIRETTA = da cellule differenziate di



tessuto, senza

proliferazione di tessuto indifferenziato.

MORFOGENESI INDIRETTA= da cellule de-differenziate

di CALLO. (= proliferazione di tessuto indifferenziato.

Non più usato poiché causa mutazioni dovute alla

divisione incontrollata di cellule.)

CALLO= tessuto vegetale che si forma intorno ad una

ferita, è una massa di tessuto AMORFO formato da

cellule che si moltiplicano in maniera disorganizzata.

MICROPROPAGAZIONE= CLONAZIONE IN VITRO => permette d’ottenere un elevato n°

di piante identiche sia genotipicamente che fenotipicamente alla pianta madre.

Lo scopo del miglioramento genetico è quello di OTTENERE INDIVIDUI TUTTI

GENETICAMENTE UGUALI (con tutti i vantaggi e gli svantaggi che porta l’UNIFORMITA’

GENETICA che è l’obiettivo del miglioramento genetico.

L’UNIFORMITA’ GENETICA si ottiene mediante ripetute AUTOFECONDAZIONI, le quali

portano ad una totale condizione di OMOZIGOSI. Attraverso una continua

autofecondazione si arriva all’ottenimento di LINEE OMOZIGOTICHE e quindi alla

formazione di LINEE PURE.

L’autofecondazione avviene naturalmente nella specie AUTOGAME (es. frumento,

pisello, ceci) queste specie si clonano attraverso il seme, andando a produrre



individui geneticamente identici. Quando vediamo un campo di grano (tutte piante

uguali perchè geneticamente uguali) che presenta piante meno alte, sarà dovuto a

fattori ambientali).

Quante linee omozigoti si possono ottenere? Il n° di linee omozigosi = n°GAMETI

n

prodotti in F1 (2 ).

Es.) n=5 loci eterozigoti AaBbCcDdEe 1 genotipo. n= numero geni in



eterozigosi. In questo caso tutti

e 5 i geni sono in condizione di ETEROZIGOSI.

↓

n 5

Si ottengono 2 LINEE OMOZIGOTICHE = 2 =32 (32 linee e quindi 32 genotipi diversi).

Nel miglioramento genetico, in queste 32 linee si scelgono quelle che presentano gli

ALLELI più favorevoli in modo da ottenere genotipi migliori rispetto a quelli di

partenza.

L’effetto dell’autofecondazione sulla struttura genetica delle popolazioni è quello di

portare gli individui, nel corso delle varie generazioni, in condizione di totale

OMOZIGOSI.

Nell’esempio sopra, è stato preso in considerazione 1 singolo gene, in realtà quando si

fa miglioramento genetico si considera un n° più elevato di GENI, anche fino a 100

geni che segregano in maniera indipendente, già dopo 10-12 generazioni di

autofecondazione, arriviamo al 100% di omozigosi a tutti i loci.

(grafico)

Lavorare su specie autogame è quindi piuttosto semplice poiché la riproduzione per

autofecondazione ci aiuta.

L’unica difficoltà è nel fare gli INCROCI poiché ogni pianta avrà entrambi i fiori maschili

e femminili e quindi per selezionare i caratteri che c’interessano su 2 individui diversi

(quindi incrociarli).

Es. GRANO SPIGA 1 tagliare le antere immature (che contengono il polline)



(unire le 2 spighe in un

SPIGA 2 polline da utilizzare



sacchetto)

Generazioni di autofecondazione

Come calcolare la QUOTA DI GENOTIPI OMOZIGOTI (A TUTTI I LOCI) ad ogni

generazione d’autofecondazione, con segregazione indipendente tra i geni.

(Sarebbe la % di ottenere OMOZIGOTI ad ogni generazione).

CONSIDERANDO 1 SINGOLO GENE:

 La quota d’ETEROZIGOSI si riduce del 50% ad ogni

generazione d’autofecondazione.

Es.) F1 => ETEROZIGOSI (100%) a m=0 (m= numero

di generazioni) 1

F2 => ETEROZIGOSI (50%) a m= 1 (1/2) 2

F3 => ETEROZIGOSI (25%) a m=2 (1/2)

m=n

Fn => ETEROZIGOSI a m= n(1/2)

La quota d’OMOZIGOSI sarà calcolata come: (1- quota

eterozigosi)

CONSIDERANDO IL N° DI GENI che segregano in modo indipendente, la quota di

 omozigosi a tutti i loci sarà:

N.B. Le specie autogame raggiungono rapidamente un’elevata quota d’omozigosi a

tutti i loci, andando a costituire una linea pura (come si vede nel grafico).

COME CALCOLARE LE LINEE DI OMOZIGOSI che si possono ottenere?

 n

Se il n° di LINEE OMOZIGOSI è uguale al n° DI GAMETI prodotti nella F1(2 ). (n=

n°geni) 2

Es.) l’ibrido (diibrido) LlGg forma 4 tipi di gameti (2 ) [LG; Lg; lg; Lg] in proporzione

uguali. Le combinazioni di questi 4 gameti forniscono le 16 combinazioni genotipiche

che spiegano il rapporto fenotipico [9:3:3:1] (secondo il quadrato di punnet).

N° linee omozigoti (genotipi omozigoti) per ciascun gene nella F1.

La frequenza con cui compare ogni LINEA D’OMOZIGOTI varierà in base al fatto che

questi GENI siano INDIPENDENTI o ASSOCIATI.

Se i geni sono INDIPENDENTI ossia segregano indipendentemente e quindi vengono

 prodotti 4 gameti in proporzioni uguali (ossia avranno la stessa frequenza del 25%

ciascuno).

P AAbb x aaBB AABB AAbb aaBB aabb

↓ ¼ ¼ ¼ ¼

F1 AaBb ricombinanti

↓

Gameti AB Ab aB ab

Frequenza 25% 25% 25% 25%

Quando si arriva alla condizione d’omozigosi totale, le 4 linee d’omozigosi possibili

saranno presenti in uguale frequenza (hanno la stessa possibilità di verificarsi).

- Quindi avrò una probabilità su 4 (25%) di trovare l’individuo omozigote

ricombinante che sto caricando.

- Avrò un fenotipo atteso di 1:1:1:1 (ossia 4 fenotipi diversi con la probabilità del

25% di manifestarsi.

Se i GENI SONO ASSOCIATI non segregano indipendentemente e sono localizzati

 sullo stesso cromosoma.

P AAbb x aaBB

↓

F1 AaBb

Gameti AB e ab gameti ricombinanti; Ab e aB gameti parentali. Se i



geni sono associati, la distanza tra essi va a stabilire la % di gameti ricombinanti.

In questo caso il rapporto fenotipico della segregazione indipendente non viene

rispettato. Se la % frequenza di ricombinazione è pari all’1% (stabilita in base alla

distanza) si avrà:

frequenza 0,5% 49,5% 49,5% 0,5% la frequenza di ricombinazione totale dei



due gameti ricombinanti è 1%.

La probabilità di trovare l’individuo omozigote (ricombinante) che cerco è dello 0,5%,

molto bassa se confrontata al 25% se i geni segregassero in maniera indipendente.

Dopo continue autofecondazioni, le frequenze con cui alla fine ottengo queste 4 linee

pure saranno leggermente più alte per i ricombinanti. Questo perché ad ogni

generazione di autofecondazione ci sono sempre degli eterozigoti che continuano a

segregare.

Se A e B sono indipendenti, la selezione è molto più semplice (1 su 4), mentre se sono

associati sarà molto più complesso (1 su 200), quindi sarà meno probabile trovare il

ricombinante favorevole che sto cercando.

n

La formula 2 ci dice quanti sono i ricombinanti che si possono ottenere partendo da

un ETEROZIGOTE per n geni, ma non ci dice la frequenza con cui ogni ricombinante

compare.

La frequenza con cui ogni ricombinante compare dipende da come questi geni sono

situati sui cromosomi ossia se segregano indipendentemente, quindi ogni singolo

genotipo ha la stessa probabilità di verificarsi; se sono associati la probabilità che un

genotipo ricombinante si manifesta diventa molto più bassa.

Quindi all’aumentare del numero dei geni ed all’aumentare dell’effetto di associazione

tra geni il programma di miglioramento genetico diventa sempre più difficile. In caso di

molti geni (50) si procede per step. Si parte con il primo carattere (10-15 geni) e

miglioro per quel carattere, per poi passare ad altri. Si fa così perché la probabilità di

trovare al primo colpo (per molti geni) il ricombinante migliore diventa quasi 0.

Il principio fondamentale di tutti i programmi di miglioramento genetico è che è inutile

utilizzare dei materiali in cui non c’è variabilità genetica per i caratteri che

c’interessano. Grazie alla variabilità genetica andiamo a scegliere i ricombinanti

favorevoli.

La VARIABILITA’ GENETICA è alla base della selezione (una linea omozigote ha

variabilità genetica =0). Dev’essere preservata per far fronte a emergenze immediate

e future (banche del germoplasma conservano i semi – preservare le risorse



genetiche).

Con il discorso dell’introduzione dell’ingegneria genetica non abbiamo più bisogno di

trovare geni all’interno della categoria; per migliorare il grano non servirà prelevare

geni favorevoli all’interno della famiglia delle graminacee, ma si potranno prelevare

anche da qualsiasi altro DNA di altri organismi.

ESPERIMENTO DI JOHANNSEN



Variabilità genetica all’interno di una popolazione autogama ossia sono presenti un

insieme di linee pure diverse (omozigote).

Formulò l’equazione Vf= Vg+Va dove:

Vf= variabilità fenotipica che si osserva

Vg= variabilità genetica Questa suddivisione tra Vg e Va è

importante per i caratteri

Va= variabilità dovuta all’ambiente QUALITATIVI cioè controllati da molti geni (es.

produzione seme, altezza, diametro foglie) ossia

tutti caratteri che hanno bisogno di essere

misurati quantitativamente. Hanno anche

l’effetto dell’ambiente.

Ogni gene ha un piccolo effetto sul carattere (se avesse un effetto grande, riusciremo

a seguire la

segregazione a singoli geni.

I caratteri QUALITATIVI sono controllati da uno o pochi geni, sono i più semplici su cui

fare selezione ed

hanno un basso/nullo effetto ambientale.

Differenze fenotipiche nella popolazione dovute

totalmente

all’effetto

genetico (es.

geni che

regolano il

colore dei

fiori).

Vg misura della variabilità genetica che c’è tra le

 2

diverse linee. La varianza (S ) misura la

variabilità che

c’è in un carattere quantitativo.

La media non ci da informazioni di quanto i singoli dati si discostano da essa.

La deviazione standard (s) ci da un numero che ci quantifica quanto sono variabili due

diverse popolazioni.

Ci permette di suddividere il range di variazione attorno alla media in diverse parti ed

ogni parte viene

identificata come 1 deviazione standard (S).

Si afferma che tutti i dati sono compresi nell’intervallo tra la media ± 3 S.

Si può avere due 2 diverse popolazioni con la stessa media d’altezze ma avere

variabilità diversa e questa si

definisce attraverso una S.

La variabilità che c’è tra le linee per il carattere ALTEZZA PIANTE non sarà dovuto solo

al fattore genetico

(Vg) ma ci sarà una porzione di essa dovuta all’effetto ambientale (Va).

Quindi è necessario capire quanto questa variabilità sia dovuta a fattori puramente

genetici o quanto

l’ambiente abbia avuto effetto sull’altezza.

Se questo dipende maggiormente da fattori ambientali, attraverso la selezione si farà

difficoltà ad

identificare i materiali da selezionare.

2

EREDITABILITA’ DI UN CARATTERE (h ):

Si calcola attraverso il rapporto: Varianza genetica/varianza fenotipica.

L’ereditabilità ci dice quanta della variabilità che si vede in campo sia dovuta a fattori

genetici, quindi si

Prelevano con sicurezza le piante più basse per effettuare la selezione con successo.

Più il valore è alto e maggiormente la variabilità dipenderà da fattori genetici.

Molti caratteri animali hanno bassa ereditabilità (es. i bovini vanno studiati,

analizzati e selezionati su

vasta scala in condizioni climatiche diverse, poiché i loro caratteri dipenderanno molto

da quest’ultimo.

Carattere produzione di granella ereditabilità molto bassa (i genetisti

 scompongono il carattere

produzione lavorando sulle singole componenti della resa.

2

La formula di J. è alla base del calcolo di h .

VARIANZA FENOTIPICA = MEDIA GENERALE (c) + MEDIA DI OGNI SINGOLA LINEA

(BLOCCHI) + EFFETTO DELLE ANNATE + EFFETTO DELLE LOCALITA’ + EFFETTO DELLE

LINEE x ANNO + EFFETTO DELLE LINEE x VARIETA’ + EFFETTO ANNO x LOCALITA’ +

LINEE x ANNI x LOCALITA’ + ERRORE.

(di ogni linea si fa più repliche (per ogni

varietà) al fine di ottenere un valore medio

più attendibile al reale.

BLOCCHI serve per avere una stima più

precisa dell’effettivo valore medio di una

linea per un carattere quantitativo, inoltre

serve per differenziare l’effetto

dell’ambiente tra blocchi diversi.

Si distribuiscono le n linee su ogni parcella

(blocco o replica) in modo casuale e

1234567 blocco diverso per ogni blocco.

89 1 Si fa poi la media tra le linee e poi la

varianza (scostamenti).

2345678 blocco ↓

91 2

blocco

3

Varianza fenotipica totale dovuta a fattori ambientali (varianza) + varianza tra blocchi

+ varianza tra linee + errore sperimentale non controllabile.

La varianza tra blocchi se non è effettuata o calcolata, andrà a finire nell’errore

sperimentale (fattori ambientali), quindi la media totale risulterebbe meno attendibile.

Johannsen lavorò nel nord Europa con i piselli, in queste rigide condizioni climatiche,

che non favorivano la disseminazione entomogama. La specie del pisello è

strettamente autogama (avrebbe potuto avere una certa quota d’incrocio nel caso ci

fosse stato un clima favorevole agli insetti).

Lavorò sulla varietà locale “princess” ed osservò che c’erano semi con una notevole

variabilità nella grandezza in quanto autogama dipenderà esclusivamente da fattori



ambientali (in teoria).

J. costituì 19 linee pure a partire da questi 19 semi. notò che il peso medio dei semi

raccolti dalle varie linee rispettavano l’andamento crescente della grandezza del seme

(quindi che ci fosse un’influenza di tipo puramente genetica).

Fece un altro esperimento prendendo le 2 linee più estreme (linea 1 e 19) e dai semi

ottenuti dalle 2 linee, notò che c’era molta variabilità all’interno della linea.

La variabilità entro linea pura dipende

solo da fattori ambientali.

All’interno della linea 1 (stessa cosa

fece per la 19) scelse il seme più

grande e quello più piccolo e

riproducendoli notò che i semi più

grandi producevano semi più piccoli

mentre quelli più piccoli producevano

semi più grandi.

Pur essendoci queste differenze, il

valore medio non cambiava. Tutti gli

scostamenti da questo valore medio

sono dovuti ad un effetto di tipo

ambientale.

Quindi da questo esperimento si dedusse che la selezione entro linea non funziona (a

differenza di quella tra linee).

La variabilità ENTRO LINEA è uguale a 0 visto che gli individui sono omozigoti

(geneticamente tutti uguali) e quindi le differenze fenotipiche che si riscontrano sono

esclusivamente dovute all’ambiente.

J. introdusse un nuovo concetto nei caratteri quantitativi non ci sarà solo un effetto



genotipico, sul valore fenotipico totale, ma anche un effetto ambientale.

Nella selezione ENTRO LINEA PURA è inefficace perché non c’è variabilità genetica

(nulla o molto ridotta) la variabilità genetica è presente TRA LINEE.



- Conclusioni dell’esperimento di JOHANNSEN:

1. La variabilità genetica è confinata TRA linee OMOZIGOTI;

2. Le singole linee omozigoti NON hanno variabilità genetica;

3. La selezione entro linea è inefficace;

4. Le linee pure dovrebbero rimanere stabili nel tempo;

5. Solo la selezione TRA LINEE è efficace.

V fenotipica totale = V genetica (varianza delle medie linee) + V ambientale totale.

2

h ereditabilità = V genotipica (tra linee)/V fenotipica => Vg/Vg +V ambientale totale.

Nel momento in cui usiamo i blocchi, in cui le linee vengono posizionate in ordine

casuale, noi andremo a scomporre V ambientale totale in V tra blocchi + V ambientale

2

Quindi la formula sarà:

V f tot= Vg (tra linee) + V tra blocchi + V ambientale 2

Dove V amb. 2 < V amb. Tot.

Dove V amb tot = V amb 2 + V tra blocchi

In questo caso L’EREDITABILITA’ SARA’:

2

h = Vg/ Vg + V amb. 2 è stata eliminata quella porzione della V amb. Tot dovuta a



fattori ambientali che si manifesterebbero se non avessimo strutturato le linee in

Blocchi.

In questo caso (con i blocchi) l’ereditabilità sarà più alta poiché va a diminuire la

variabilità al denominatore.

Quindi abbiamo diminuito la variabilità dovuta a fattori ambientali (ma non del tutto)

la variabilità sarà dovuta maggiormente a fattori genetici.

Le specie autogame se fossero strettamente autogame, quindi la variabilità fosse

confinata tra linee, sarebbero destinate a rimanere immutate nel tempo, quindi con

ogni linea riproduttivamente isolata dalle altre, le specie, nel medio e lungo periodo

sarebbero destinate all’estinzione perché le condizioni ambientali cambiano ed una

linea valida potrebbe non essere efficace e quindi deve cambiare la struttura genetica

dalla popolazione per adattarsi al cambiamento delle condizioni ambientali. Quindi se

ogni linea fosse separata