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mendelismo applicato ai caratteri quantitativi ed esperimenti attuati...

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MENDELISMO APPLICATO AI CARATTERI A VARIAZIONE CONTINUA: CARATTERI QUANTITATIVI Si parla di geni che potrebbero essere decine, questo rende il fenotipo variabile in maniera continua, non ci sono classi antagoniste, ma classi di fenotipo che può variare tra il minimo ed il massimo (caratteri quantitativi= poligenici). Non tutti i geni che controllano il carattere quantitativo hanno la stessa intensità, ma alcuni sono più importanti di altri, cioè hanno effetto sul fenotipo più marcato degli altri. Più importanti = major (possono essere in numero limitato, sotto a 10/12 e possono avere effetti importanti sul fenotipo al punto di poter spiegare nella variazione misurata per il carattere studiato, anche il 40-50%, cioè un gene da solo in grado di spiegare la variazione di quel carattere nella misura pari a questa percentuale) Meno importanti = minor. Questi geni possono essere condizionati dall’ambiente (fattori esterni) e questo condizionamento può marcare l’effetto, l’effetto ambientale può essere molto marcato. Un carattere ad azione continua porta ad esprimere un fenotipo che può essere in parte dovuto al genotipo ed in parte a fattori esterni/ambientali, ed è molto importante la relazione che c’è tra questi due, non a caso nelle piante, ci sono varietà più adatte a certi ambienti rispetto ad altre (interazione dei geni con l’ambiente) e questa è una caratteristica dei caratteri quantitativi. Nel caso dei caratteri quantitativi non c’è dominanza e recessività, ma ci sono alleli per singoli geni che hanno effetto entrambi sul fenotipo, ci sono 2 alleli per geni additivi, quindi si parla di additività, ovvero gli effetti si accumulano sui fenotipi e non hanno mai lo stesso effetto su di questi, ma diversi effetti. Gli alleli dei geni con questo effetto si chiamano plus (=caratteri maggiori) e minus (=caratteri minori) (es. lunghezza spighe di mais), non sono antagonisti, ma sono una serie di classi intermedie, numerosa in base al numero di geni che controllano i loci del carattere quantitativo. Gli alleli plus non sono più importanti dei minus, ad esempio nel frumento servono le piante basse e quindi i genetisti selezionano gli alleli dei loci minus. Quindi la genetica di un carattere quantitativo si riferisce a caratteri poligenici fortemente condizionati dall’ambiente che agisce sul genotipo e condiziona il fenotipo; il numero dei geni può essere di alcune decine, ma quelli più importanti sono sotto a 10/12 e tra questi ce ne sono alcuni di ancora più importanti e sono chiamarti major perché hanno effetti principali sul fenotipo, mentre quelli che hanno effetti meno importanti sono chiamati minor, ma tutti hanno comunque effetti. all’interno di singoli loci sia per i minor sia per i minor, ci sono alleli con effetti additivi che possono avvenire tra alleli di uno stesso gene ma anche tra alleli di geni diversi; i loro effetti si cumulano e si parla di additività. Gli alleli dei singoli geni con l’effetto più importante sono plus, quelli con effetto meno importante sono minus. I loci dove risiedono i caratteri quantitativi si chiamano QTL, questi loci sono un claster di geni (alcuni); questi geni raggruppati in specifiche regioni cromosomiche lavorano insieme in maniere coordinata per controllare un solo carattere. Questi geni non ricombinano per crossing-over, perché strettamente associati. I QTL possono essere sparsi nei vari cromosomi che compongono il genoma, e ce ne sono 10/12 di quelli più importanti. Una serie di geni in diversi QTL che controllano l’espressione di uno stesso carattere.

Es.: 4 loci (QTL) → con effetti di 4 su mais PLUS = 4cm MINOR = 1cm ➢ Fenotipo maggiore? Fenotipo minore? 2 ALLELI x 4 LOCI = 8 → - 8x4cm = 24 cm (fenotipo maggiore) - 8x1cm = 8 cm (fenotipo minore) ➢ Classi intermedie? (classi fenotipiche, senza effetti ambientali) Sono 9 perché il meccanismo è: n° alleli possibili + 1 quindi è: 8+1 = 9 poiché sarebbe: 24-2 = 22-2 = 20-2 = 18-2 = 16-2 =14-2 = 12-2 = 10-2 = 8 (tot. = 9) All’aumentare del numero dei geni, includendo anche gli effetti ambientali, la variazione è continua che tra 2 classi discrete c’è differenza minima e l’andamento dei caratteri quantitativi è gaussiano. Alcuni caratteri sono fortemente influenzati dall’ambiente tanto che classi fenotipiche uguali possono essere attribuite a genotipi diversi; se invece l’effetto ambientale è minore o nullo, è difficile confondere fenotipi simili per effetto di genotipi diversi. Nelle piante agrarie c’è un carattere che è sotto controllo genetico e che l’ambiente può fare ben poco ed è la classe di precocità, cioè la durata del ciclo vitale di un organismo, infatti esistono varietà precoci, medie, tardive….; l’ambiente incide pochissimo su questo fattore. Se si incrocia una varietà tardiva con una precoce si ottiene un fenotipo medio, questo è il concetto di additività. L’effetto ambientale minimo potrebbe essere confuso con l’effetto genetico minimo, quindi si ricercano i QTL che si manifestano al 50%. Ci possono essere più caratteri distinti, ovvero sono geni che si esprimono nello stesso organo e si trovano negli stessi tratti cromosomici. Se ci sono diversità nella spiga, le diversità sono attribuite a esterni e queste diversità si quantificano con la variazione standard (o varianza), l’effetto ambientale si misura annullando quello genotipico. Quindi in genetica mendeliana si usano aggettivi per definire un carattere, mentre per la genetica quantitativa si usa un numero, la media non basta ma servono deviazione standard, varianza, moda e mediana ecc.. L’additività su F1 da sempre un fenotipo intermedio. Quando si fa un incrocio tra due linee pure antagoniste per un carattere quantitativo, l’ibrido F1 non è uguale né a materno né al paterno ma il fenotipo è intermedio e quindi si parla di additività. In F2 il valore fenotipico medio corrisponde a quello di F1, intermedio nelle linee parentali e se ciò accade vuol dire che ci sono effetti di dominanza, e quindi la curva si sposta in base alla dominanza del genitore, ma quando il valore è intermedio, ci sono solo effetti additivi. Nelle F2 possono esserci genotipi con fenotipi più estremi di quelli parentali e si dicono genotipi trasgressivi e quindi l’ereditarietà è trasgressiva. In F3 (ottenuta autofecondando un individuo in F2 o incrociando due individui con stessa classe genotipica) si osserva che la scelta dell’individuo influenza il valore fenotipico medio dell’individuo. Per ridurre la dimensione delle piante di riso, fissando alleli minus ai loci, si seleziona nella parte sx della curva, abbassando notevolmente l’altezza in questo caso.

ESPERIMENTI: 1. Emerson-East (1913) = linee inbred e linee pure non c’è differenza perché sono popolazioni di individui ottenute dove possibile fecondazione o genotipi imparentati che determinano negli anni aumento dell’omozigosi facendo aumentare il numero di loci omozigoti. Ma c’è una differenza, perché la linea pura è tipica delle specie in cui l’autofecondazione avviene in modo naturale (leguminose ed altre piante), gli individui sono equivalenti, uno vale l’altro; mentre le linee inbred hanno popolazioni omozigote ottenute artificialmente dall’uomo e in assenza del suo intervento sarebbe impossibile ottenerle, quindi in questo esperimento sono state autofecondate le piante di mais per molte volte, fino a promuovere omozigosi per tutti gli alleli agli stessi loci. In questo esperimento c’è omozigosi a tutti i loci per i geni che controllano la lunghezza della spiga. La linea inbred femminile produce spighe di 7 cm con effetti ambientali che possono modificare da 5 a 8, per la linea maschile la media è intorno a 17 cm e può variare da 13 a 21 cm. Se si incrociano due linee inbred di questo tipo, si ottiene un ibrido F1 che mostra valore fenotipico intermedio (12/13 cm) e questo non è sempre vero ma per la maggior parte dei caratteri quantitativi si. Anche qui c’è effetto ambientale e possono variare da 9 a 15 cm. Non c’è diversità fenotipica in tutte queste linee ma solo diversità ambientale. Per i cloni vegetali la variazione sarebbe solo ambientale, perché per effetto della propagazione vegetativa tutte le piante saranno geneticamente identiche ed il genotipo è eterozigote o omozigote o anche una via di mezzo tra i due, perché hanno un loro sistema riproduttivo, ma l’uomo non utilizza i semi (ad es. semi di vite, pesco, olivo…), ma talee radicate. L’F1 viene autofecondato ed ha ottenuto una popolazione F2 che evidenziava una variabilità fenotipica della lunghezza della spiga più elevata rispetto ad F1 e le linee parentale, inoltre il valore fenotipico medio rimane invariato, intermedio e sovrapponibile alla classe F1 (11/12 cm), inoltre, le classi fenotipiche si sovrappongono a quelle parentali. La varianza è più alta in F2, quindi questa variazione fenotipica dipende da fattori genetici che sono la segregazione e la ricombinazione, per un eterozigote a 3 QTL si ottengono 7 classi fenotipiche, per 5 QTL si otterrebbero 11 classi fenotipiche senza fattori ambientali, perché con questi aumenterebbero di numerosità; quindi la variazioni fenotipica accentuata in F2 è legata non solo a fattori ambientali ma anche a fattori genetici che sono la segregazione e la ricombinazione, si chiama ricombinazione per segregazione di alleli a loci indipendenti se i loci sono portati su alleli diversi, mentre si chiama ricombinazione per effetto di crossing-over se i loci si trovano associati sullo stesso cromosoma. Quello che hanno trovato è di validità generale, anche per l’uomo e quindi ciò che si eredita non è detto che sia trasmesso uguale dai genitori (es. due genitori alti non è detto che abbiano figli alti ma possono essere anche bassi se ereditano alleli minus). La variazione che si osserva all’interno di linee pure è dovuta da fattori ambientali, gli ibridi F1 hanno sempre valore fenotipico intermedio quando il carattere è sotto controllo additivo, ma si possono osservare delle eccezioni: la prima è che un carattere quantitativo può avere geni che possono avere effetti di dominanza, la seconda è che la combinazione di alleli con effetti di dominanza trasmessi da tutti e due i genitori e quando accade, in F1 si possono manifestare fenotipi più estremi rispetto alla media parentale o superiore alla media dei due, e questo si chiama vigore ibrido o eterosi. Ecco perché gli agricoltori preferiscono usare semi F1 poiché presentano più varianze. Quindi, le eccezioni rispetto a quello che si vede nel grafico (sul quad. 20), vorrebbe dire che Q1 ha effetti di dominanza per un particolare carattere. Si può collocare la curva di distribuzione più a destra quando gli effetti di dominanza sono legati agli alleli di loci ereditati sia dalla madre che dal padre, si dice complementazione di alleli con effetti di dominanza per i geni dei QTL che controllano un carattere quantitativo.

Nella maggior parte dei casi gli incroci non presentano effetti eterotici e presentano fenotipi F1 intermedi rispetto a quelli parentali; in F2 si osserva un aumento della variazione fenotipica legata non solo a effetti ambientali ma anche a effetti di varietà genetica che sono riconducibili a fenomeni di segregazione e ricombinazione. Questa variazione in F2 si può spingerla fino a superare la variazione parentale. Se invece del mais si considera il pomodoro (specie autogama) caratterizzata per lo più da autofecondazione, potremmo osservare per caratteri quantitativi gli stessi comportamenti. I parentali sono linee pure antagoniste per la dimensione del frutto che in F1 danno un fenotipo intermedio, che se autofecondato, in F2 produce una serie di fenotipi per la dimensione del frutto che vanno da situazioni analoghi a quella femminile parentale a quella maschile parentale, con una serie di classi intermedie. Segregazione in F2, le popolazioni in F2 sono quindi quelle che presentano variabilità genetica e genotipica, utilizzate dai genetisti per selezionare i fenotipi d’interesse. Sono le popolazioni che presentano la più ampia gamma di genotipi diversi, quindi sia nelle piante che negli animali le popolazioni F2 sono quelle utilizzate per fare miglioramento genetico. In questa popolazione si vede la segregazione per un carattere, ma tutti i caratteri quantitativi sono soggetti a segregazione se sono antagonisti a livello parentale, così come quelli qualitativi. Si cerca il fenotipo migliore che includa una serie di caratteri a favore della resistenza. L’eterosi o vigore ibrido è legato alla complementazione di fattori genetici con effetti dominanti trasmessi sia dalla madre che dal padre sull’ibrido F1, quindi se si fa un incrocio tra due linee che si complementano bene, si può ottenere un ibrido F1 più grande rispetto ai genitori. Questo è effetto di segregazione e ricombinazione ai loci quantitativi. Nelle specie allogame questo fenomeno è molto evidente. L’inbreding è la consanguineità, cioè facendo incroci tra genitori imparentati, nelle piante è l’autofecondazione e permettono di ottenere performance superiori rispetto a quelle parentali, questo è uno dei motivi per cui vengano portate avanti linee F1. 2. Jones (eterosi: ipotesi genetica) = ha ipotizzato che l’eterosi dipendesse da QTL i cui effetti non fossero additivi ma dominanti, lui li ha chiamati blocchi cromosomici quindi ha immaginato che ci fossero delle regioni cromosomiche con geni a loci strettamente associati con l’aspetto dei QTL con alleli aventi effetti dominanti capaci di accumularsi in maniera additiva. (sul quad. 21) Organismi la cui formula genomica sia 2n=2x=6, immaginiamo che in ciascuna di queste zone cromosomiche ci siano dei QTL, cioè con effetti eterotici sui caratteri. Si contraddistinguono questi blocchi cromosomici con colori diversi e di avere colorazioni diverse per blocchi cromosomici diversi che hanno effetti dominanti o recessivi(AC e bd) stessa cosa per gli altri blocchi, nel complesso si hanno 12 QTL, si esprime vigore eterotico quando i genetisti sono in grado di selezionare linee parentali che per questi blocchi cromosomici presentano alleli con effetti di dominanza complementari in modo tale da complementare l’ibrido F1; quando si guarda la composizione genotipica dei blocchi cromosomici del secondo individuo (linea inbred 2), è l’inverso dell’individuo 1 (linea inbred 2), fattori dominanti ai QTL che controllano il carattere quantitativo in maniera antagonista così da complementarsi in F1. In realtà accade che: effetti di dominanza = 3cm e di recessività = 0cm, perché si parla di alleli dominanti e recessivi; quindi la linea 1 produrrebbe linee lunghe 18cm, ogni QTL in 2 incide di 3cm, quindi 18cm anche in 2; quando si incrociano e si da luogo all’ibrido F1, si avrà al blocco 1 Aa, poi al 2 bB ecc… e la stessa cosa vale per gli altri cromosomi. Se un allele ha effetti di dominanza, il nostro fenotipo sarà pari a 36cm, quindi il valore fenotipico è raddoppiato. Quindi QTL con geni i cui alleli presentano effetto dominante che se cumulati, questi effetti si sommano tra di loro sul fenotipo in maniera additiva.

Quindi più loci con alleli aventi effetto dominante i cui effetti però si cumulano in maniera additiva; questo è il motivo alla base del vigore eterotico e della possibilità di una pianta F1 di produrre molto di più rispetto alle linee parentali. Come si può produrre cromosomi che ha tutti i loci presentano dominanza? Non si può manipolare il crossing-over, ma far combinare i QTL dominanti in maniera esatta è impossibile. Quello che però si cerca di fare è di fissare allo stato omozigote in due linee parentali il maggior numero di QTL con effetti di dominanza e soprattutto di scegliere le linee parentali che complementano meglio nell’ibrido F1, cioè se poi si va a contare il numero di QTL con effetto di dominanza, si cerca di aumentare il loro numero. Il miglioramento genetico ad oggi è quasi nullo, perché negli anni la variazione genetica è già stata sfruttata tutta, quindi o si creano nuovi alleli oppure il miglioramento genetico arriverà ad un punto in cui le performance non potranno più essere migliorate. Però i genetisti per migliorare continuamente, modificano artificialmente gli alleli, perché in natura, oltre a quelli non si può andare. La variazione genetica sfruttabile per costruire ibridi eterotici in molte specie è stata esplorata e sfruttata tutta, quindi nuova variazione genetica la si può ottenere inducendo mutazioni consentite sia utilizzando agenti mutageni, sia ingegneria genetica. I caratteri quantitativi è impossibile che non siano anche modificati nella loro espressione da fattori ambientali, quindi all’aumento di QTL e di fattori ambientali, le curve di distribuzione per un carattere fenotipico i F2, tendono ad essere normali (assomigliare ad una curva di distribuzione gaussiana). Se si ipotizza un solo QTL in assenza di fattori ambientali, per un monoibrido, avremmo 3 classi genotipiche e fenotipiche, ad esempio AA x A’A’ si ottiene in F2 il 25% di AA, 25% A’A’ e 50% A’A, 3 classi fenotipiche senza variazione ambientale, però questo non esiste. Si ipotizzano 2 geni: si possono avere 5 classi fenotipiche distinguibili tra loro; se si considerano 3 geni, le classi fenotipiche sono 7 e distinguibili perché non si considerano i fattori ambientali. Consideriamo 10 coppie alleliche, cioè 5 loci, avremmo 11 classi fenotipiche; anche in assenza di effetti ambientali, queste classi fenotipiche sarebbero molto simili tra loro, tanto che la curva di distribuzione anche in assenza di fattori ambientali, sarebbe molto vicina e assomigliando ad una curva di distribuzione normale. Immaginiamo ora 10 QTL, avremmo 21 classi fenotipiche, talmente ravvicinati gli istogrammi da essere una curva di distribuzione normale, se a questo si aggiunge l’effetto ambientale che può portare a sovrapporre a livello genotipico anche genotipi diversi, la curva di distribuzione sarà perfettamente aderente ad una curva normale. Quindi all’aumentare dei loci (dei QTL responsabili per un carattere quantitativo) e all’aumentare dell’effetto ambientale sul fenotipo, le F2 somigliano sempre più da vicino ad una curva di distribuzione normale. I genetisti mendelizzano i QTL, cioè li trattano come dei singoli caratteri semplici, quindi una F2 presenta il 25 % qq, il 25% QQ, il 50% Qq, la curva di distribuzione sarà normale perché al genotipo si somma l’effetto del fenotipo. Può accadere che una popolazione F2 possa avere una curva in cui gli estremi rientrano in quelli parentali, ma può anche accadere che si producano popolazioni F2 i cui valori fenotipi estremi vadano oltre il valore fenotipico estremo minus e plus parentale. Questa è quello che si chiama eredità trasgressiva, i genotipi o le varianti genetiche sono trasgressivi ed oggetti di selezione e si ottiene quando si aumentano da una parte o dall’altra gli alleli plus o minus nei genotipi dei QTL che controllano il carattere in esame.

3. East: ha fatto l’esperimento analizzando il carattere della lunghezza dei fiori nel tabacco (specie autogama) (P1= a fiore corto (4cm), P2 = fiore lungo (9cm)); ha utilizzato questo carattere perché poco condizionato dall’ambiente, un genotipo per fiore corto produce fiore corto e viceversa. Ha eseguito questo incrocio ed ha ottenuto quanto predetto sulla base di altri esperimenti, cioè fenotipo di F1 intermedio (6,5cm) con lunghezza paragonabile a quella riscontrata nelle linee parentali. Ha poi autofecondato un ibrido F1 ed in F2 ha osservato una variazione con lo stesso valore medio (variazione intermedia, oltre 8 e meno di 5cm) e una variazione fenotipica molto ampia alla base rispetto a quella osservata in F1 o nelle linee parentali. Ha osservato che dalla F2 in poi, se si vuole riprodurre una nuova linea pura (linea inbred), l’individuo che scegliamo in F2, condiziona il valore fenotipico medio in F3; questo vuol dire che se si sceglie un individuo il cui valore fenotipico individuale è di 5cm, la F3 avrà valore medio di 5cm, se si sceglie di 8cm, la F3 avrà valore di 8cm, quindi ciò che è stato detto per la prima volta è che il valore fenotipico dell’individuo selezionato in F2, condiziona il valore fenotipico medio in F3, il valore dell’individuo scelto in F3, condiziona il valore medio della popolazione F4 e così via. Quando si va avanti con le generazioni di autofecondazione da F2 a F3, da F3 a F4 ecc…, si riduce la variazione fenotipica per un carattere, perché per effetto dell’autofecondazione...