Lezione 6 Diversità genetica

Marcatori molecolari per l’analisi
della variabilità genetica: teoria ed
applicazioni
Sommario
•  Aspetti della variabilità caratterizzata con marcatori molecolari
•  Indici di informatività dei marcatori
•  Similarità (dissimilarità) tra individui e distanza genetica tra
popolazioni
•  Filogenesi e domesticazione
•  Collezioni e core-collection
•  Utilizzazione dell’eterosi
•  Struttura genetica di una specie
I marcatori molecolari consentono di descrivere vari aspetti
della variabilità genetica di una specie:
•  Diversità genetica: quantifica la variabilità all’interno della specie,
in termini di numero e/o frequenza di alleli per locus. Il principale
indice è:
•  Eterozigosità = Probabilità che due cromosomi omologhi scelti a caso nella
popolazione abbiano due alleli diversi ad un particolare locus.
•  Similarità (o dissimilarità) genetica tra individui: quantifica il
livello di differenziamento tra individui confrontando lo stato allelico
a loci diversi. Se il confronto è tra popolazioni si parla di distanza
genetica, stimata dalle frequenze alleliche ai singoli marcatori nelle
n popolazioni in esame.
•  Struttura della variabilità genetica della specie per quanto
riguarda l’esistenza di sottopopolazioni.
•  Le varie classi di marcatori non hanno la medesima informatività. Le
principali caratteristiche che la influenzano sono:
–  natura del polimorfismo (dominante/codominante)
–  numero di loci per saggio (livello di multiplexing)
–  numero di alleli/locus (m. m. biallelici vs. multiallelici) e loro frequenza
relativa
•  Sia aspetti tecnici che biologici/di genetica di popolazione influenzano il
livello di informatività di una classe di marcatori. Per es.:
–  gli RFLP indagano uno o pochissimi loci per saggio molecolare mentre gli
AFLP arrivano fino ad un centinaio.
–  Sulla base della natura del polimorfismo (sequenza ripetuta, facilmente
mutabile ed in genere neutrale dal punto di vista della selezione) gli SSR
sono i m. m. che presentano e distinguono il più alto numero di alleli per
locus (fino a ca. 30 nell’ambito di popolazioni selvatiche).
•  Le relazioni genetiche tra individui sono spesso
visualizzate sotto forma di alberi, o grafici a grappolo o
dendrogrammi. Una visualizzazione alternativa è quella
dei centroidi (v. pag 962, vol. III, Barcaccia e Falcinelli).
•  In generale, per passare dai profili elettroforetici di
marcatori molecolari (es. RFLP, RAPD, ecc.) al
dendrogramma il metodo è:
–  1. Calcolo dei valori di similarità/dissimilarità tra tutte le coppie di
individui e produzione di una matrice di similarità/dissimilarità –
esistono diversi indici
–  2. Applicazione di un metodo di raggruppamento che rispecchi il
più possibile la matrice – Vari metodi di raggruppamento sono
disponibili.
Calcolo della
similarità/dissimilarità
genetica
Profilo
elettroforetico
Matrice di similarità/
dissimilarità
(OTU = Operative Taxonomic
Unit = individuo o campione, nel
nostro caso)
Metodo di
raggruppamento
(es. UPGMA,
Neighbor-Joining,
ecc.)
Matrice di similarità/
dissimilarità
Dendrogramma
Figura 20.3
Procedura per la costruzione di un dendrogramma a partire da una matrice con sei
elementi usando il metodo UPGMA.
Pag. 960, vol III, Barcaccia e Falcinelli.
•  Conoscere la similarità genetica tra individui o popolazioni
(in quest’ultimo caso si parla di distanza genetica), ed il
livello di diversità genetica entro popolazione, ha diverse
applicazioni:
–  identificazione delle relazioni filogenetiche e dell’origine della
domesticazione
–  salvaguardia della diversità genetica di una specie
–  criteri oggettivi per assemblare collezioni di germoplasma e
‘core-collection’
–  sfruttamento del fenomeno dell’eterosi
–  studio e verifica di pedigree delle cultivar e sviluppo di strumenti
di fingerprinting per la protezione varietale
Nikolaj I. Vavilov (1887-‐1943) •  Centro di diversità: la regione geograﬁca con il massimo numero di forme o specie simili, è la regione dove più probabilmente la forma ancestrale della specie si è originata. •  Per il melo, Vavilov, nel 1930, idenLﬁca inequivocabilmente l’Asia centrale come origine del melo colLvato, dopo aver osservato la enorme variabilità di forme di mele della specie M. sieversii. Centri di domesticazione
Doebley 2006 The Molecular GeneLcs of Crop DomesLcaLon. Cell. Esempi di modifiche genetiche indotte dal processo
di domesticazione dal progenitore selvatico
Doebley 2006 The Molecular GeneLcs of Crop DomesLcaLon. Cell. La combinazione di dati di similarità genetica tramite marcatori
molecolari, dati botanici e geografici consente di ipotizzare
progenitore e luogo di domesticazione
Z. mays
parviglumis
(una delle forme di
teosinte)
Domesticazione del mais studiata utilizzando 95 accessioni (9 gruppi di germoplasma di mais coltivato e 3 sottospecie di
mais teosinte) e 99 marcatori SSR. Tutti i mais coltivati si raggruppano con una forma di teosinte (ssp. parviglumis),
presente nel messico meridionale, in accordo a dati archeologici. (Da Matsuoka et al. 2002 A single domestication for maize
shown by multilocus microsatellite genotyping PNAS).
Riduzione di diversità genetica nelle specie coltivate
(rispetto alle specie selvatiche progenitore)
Diagrammi che mostrano la proporzione di diversità genetica (misurata tramite
marcatori molecolari) presente in riso coltivato (azzurro: sottospecie indica; giallo:
sottospecie japonica) ed in pomodoro, rispetto alle forme corrispettive selvatiche.
Tanksley SD, McCouch SR: Seed banks and molecular maps: unlocking geneLc potenLal from the wild. Science 1997, 277:1063-‐1066. “Colli di bottiglia” della diversità genetica
subiti dalle specie coltivate
Riduzioni successive della diversità genetica (“colli di bottiglia” genetici) subite dalle specie
agrarie a seguito della domesticazione e della selezione artificiale. I quadrati colorati
rappresentano gli alleli ed i diversi colori evidenziano la riduzione in diversità, dalla specie
selvatica a quella coltivata. Si riconoscono due importanti “colli di bottiglia” della diversità
genetica: 1) dalla forma selvatica alle prime forme domestiche e 2) dalle prime forme
domestiche e landraces (razze adattate a condizioni locali ed ad una coltivazione preindustriale) alle moderne cultivar frutto del miglioramento genetico dell’epoca industriale. Gli
alleli non presenti nelle forme coltivate possono essere reintrodotti solo coinvolgendo le forme
selvatiche nel miglioramento genetico.
Tanksley SD, McCouch SR: Seed banks and molecular maps: unlocking geneLc potenLal from the wild. Science 1997, 277:1063-‐1066. “Colli di bottiglia” della diversità genetica a livello
genico: geni neutrali vs. geni coinvolti in caratteri
della domesticazione
Geni neutrali (a sinistra): il collo di bottiglia causato dalla domesticazione riduce la diversità
del geni ma solo casualmente per effetto “statistico” di campionamento.
Geni selezionati nel processo di domesticazione, cioè con effetto su caratteri di
domesticazione (a destra): il collo di bottiglia può portare ad una riduzione estrema della
diversità genetica in geni, al punto da annullarla direttamente. In questo caso, tutte le forme
coltivate portano lo stesso allele in omozigosi.
Doebley 2006 The Molecular GeneLcs of Crop DomesLcaLon. Cell. Numero di alleli
MSTRAT
Raggruppamenti casuali
Numero di individui
2262 varietà di vite (collezione Vassal, Francia)
20 SSR, per un totale di 326 alleli, 271 alleli con frequenza > 0.05.
Tramite campionamenti ripetuti (software MSTRAT) si osserva che 48 varietà
consentono di catturare tutti gli alleli SSR che hanno frequenza > 0.05.
Loïc Le Cunff et al 2008 Construction of nested genetic core collections to optimize the
exploitation of natural diversity in Vitis vinifera L. subsp. sativa. BMC Plant Biology.
Tanksley SD, McCouch SR: Seed banks and molecular maps: unlocking geneLc potenLal from the wild. Science 1997, 277:1063-‐1066. Eterosi nella prima generazione
(F1) dell’incrocio tra le linee pure di
mais Mo17 e B73, come mostrato
dalle piante in campo (le tre file
centrali sono dell’ibrido F1) e dalle
spighe.
Springer and Stupar. 2007 Genome Research
“As plants are adapted by such
diversified and effective means for
cross-fertilization, it might have
been inferred from this fact alone
that they derived some great
advantage from the process”
Charles Darwin, “The effetc of cross and self
fertilization in the vegetable kingdom”, 1876
“Nature tells us, in the most emphatic manner, that
she abhors perpetual self-fertilization”
Charles Darwin, “On the various contrivances by which British and foreign orchids
are fertilized by insects, and on the good effects of intercrossing”, 1862
A
A
a
x
A
a
a
E.M.East
G.H. Shull
P2
F1 P1
d
Qq QQ
qq
a
qq
qq
a
Qq
QQ
Qq
QQ
qq
QQ = Qq
qq
QQ
qq
QQ
Qq
Qq
Ipotesi genetica
 
DOMINANZA
L’ibrido è migliore poiché combina gli alleli
dominanti favorevoli di entrambi i
parentali
P1 = A,C
A
A
b
b
C
C
P2 = B
x
F1 = A,B,C
a
a
A
a
B
B
b
B
c
c
C
c
In questo case dovrebbe essere teoricamente possibile ottenere
una linea inbred omozigote con tutti gli allei dominanti favorevoli
Ipotesi genetica
 
SOVRADOMINANZA
Eterozigosità per se è importante
L’ibrido è migliore causa le interazioni
intra-locus Aa > AA
Ellstrand and Schierenbeck 2000. PNAS
•  In mais, con l’aumento della dissimilarità genetica
tra linee parentali si osserva un generale aumento
dell’eterosi dell’ibrido F1.
•  Quando pero’ la dissimilarità supera una certa
soglia, l’eterosi si riduce.
•  C’è quindi una relazione tra similarità genetica ed
eterosi, tuttavia la correlazione non è
sufficientemente elevata per utilizzare i marcatori
molecolari come strumento predittivo (Melchinger
1999).

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