CAPITOLO 9 EREDITA’ ED EREDITABILITA’ DEI CARATTERI QUANTITATIVI

1. CAPITOLO 9 EREDITA’ ED EREDITABILITA’ DEI CARATTERI QUANTITATIVI LIGUORI EDITORE

2. Gli studi genetici presentati hanno riguardato soprattutto studi di sostituzione alleliche che causano differenze qualitative a livello fenotipico. In realtà la variabilità tra organismi è, in generale, di natura quantitativa piuttosto che qualitativa.

3. Caratteristiche quantitative Molti caratteri dell’uomo e di altri organismi sono geneticamente influenzati, ma non mostrano patterns di ereditabilità a singolo gene (Mendelian). Sono influenzati dalla combinazione di molti geni e sono caratterizzati da variazione continua. Questi caratteri sono chiamati poligenici. I caratteri con variabilità continua sia poligenici che influenzati da fattori ambientali sono chiamati multifattoriali.

4. Passaggio dalla struttura genetica a quella fenotipica e la relazione che esiste tra i due Importanza per la comprensione dei processi evolutivi e per la gestione delle specie rare Caratteri che mostrano un’ampia gamma di fenotipi possibili e che presentano una distribuzione continua di fenotipi => caratteri continui Studio di mutanti con effetti nel fenotipo e varianti alleliche in un singolo locus genico, confronto con il selvatico e diretta relazione tra genotipo e fenotipo (es. involucri dei semi di pisello – gialli o grigi) => carattere discontinuo con pochi fenotipi distinti Relazione semplice tra genotipo e fenotipo

5. Caratteri discontinui => pochi fenotipi distinti => descritti in termini qualitativi Caratteri continui => molti fenotipi distinti => descritti in termini quantitativi Effetto dell’ambiente Relazione tra genotipo e fenotipo complessa perché: • un genotipo può originare diversi fenotipi • lo stesso fenotipo può essere originato da molti genotipi diversi Come la variabilità tra individui per un dato carattere è determinata durante lo sviluppo è il tema principale della genetica quantitativa

6. Distinzioni tra caratteri qualitativi e quantitativi Caratteri“Qualitativi” : • gruppo sangigno (ABO) • colore del mantello del gatto • colore degli occhi • le differenze tra i fenotipi di due individui possono essere spiegati da differenze nel genotipo ad un basso numero di loci ( es. 1 o 2). • variabilità discontinua • rapporto mendeliano in F1 Caratteri Quantitativi : • altezza • peso • Il fenotipo è determinato, con alcune eccezioni, dal genotipo, ma differenze fenotipiche tra gli individui sono dovute a differenze genotipiche a numerosi loci. • Variabilità continua • nessun rapporto mendeliano in F1

7. I fenotipi multipli per un carattere possono insorgere in più modi 1) Diversi fenotipi controllati da numerosi genotipi (all’aumentare del numero di loci che controllano un carattere, aumenta il numero di genotipi). Caratteri codificati da più loci sono detti caratteri poligenici 2) Quando i fattori ambientali esercitano un’influenza sul fenotipo, ogni genotipo è in grado di produrre una gamma di fenotipi. Il fenotipo è influenzato sia dai genotipi multipli che dai fattori ambientali => carattere multifattoriale

8. L’altezza nell’uomo NON è un carattere qualitativo • L’altezza media non è il risultato della segregazione di un singolo gene. Molti pathway dello sviluppo influenzano la statura. • L’altezza è influenzata da fattori ambientali. Le persone malnutrite non sono tanto alte. X P F1

9. Se si considerano due individui estremi (es. una pianta di mais alta circa 2 metri e una alta 90 cm) l’incrocio tra i due non produrrà una progenie che soddisfa le leggi di Mendel.

10. Tipi di tratti quantitativi I caratteri quantitativi vengono di solito descritti da misurazioni (quantità) Ad esempio: quanto è alto? Alcuni tratti quantitativi sono meristici (misurati in numeri interi). Un’altro tipo di carattere quantitativo è il carattere soglia che può essere presente o assente in funzione di effetti cumulativi di fattori additivi (malattie).

11. Fattori ambientali Effetti sul fenotipo di 7 differenti genotipi di Achillea a diversa altezza.

12. Fattori ambientali Il numero di setole addominali in genotipi omozigotici diversi di Drosophila a tre temperature diverse

13. Caratteri qualitativi Attributi, che non possono essere misurati, ma possono essere espressi soltanto in modo qualitativo, ad esempio: Caratteri a variabilità discontinua Classificazione degli individui in due o poche classi chiaramente distinte l’una dall’altra

14. Caratteri economicamente importanti Caratteri Quantitativi Multifattoriali (poligenici), sono sotto il controllo di una pluralità di geni Ruolo dell’ambiente sui caratteri quantitativi Clima , terreno, pratiche colturali …

15. 9.1 MISURA DEI CARATTERI QUANTITATIVI I caratteri evidenti in una pianta hanno delle differenze tali da essere distribuiti su una scala continua di valori Caratteri quantitativi Variano in modo continuo nella popolazione, non possono essere classificati secondo classi discrete ma possono essere misurati e descritti mediante parametri numerici Caratteri poligenici con influenza dell’ambiente La posizione occupata da questi geni sui cromosomi corrispondono ai loci per i caratteri quantitativi e sono detti QTL (Quantitative Trait Loci)

16. 9.1 MISURA DEI CARATTERI QUANTITATIVI Prime osservazioni  caratteri qualitativi contrastanti (Mendel) Successivamente  caratteri quantitativi, misurabili (lunghezza della spiga) Influenza dei fattori ambientali e condizionamento del fenotipo Difficili da valutare perché la variazione era continua, senza classi continue ricollegabili a un gene definito Due correnti di pensiero: Biometristi (Galton e Person): Eredità per mescolamento, non esistono le unità discrete alla base della trasmissione ereditaria dei caratteri Mendeliani (Bateson, de Vries, Castle): Caratteri a variabilità continua (qualitativi) hanno una base genetica e le differenze quantitative determinate da unità discrete

17. 9.1 MISURA DEI CARATTERI QUANTITATIVI 1) Esperimenti per dimostrare l’azione tra fattori genetici e ambientali nella determinazione fenotipica dei caratteri quantitativi 2) Ipotesi multifattoriale dell’eredità quantitativa: i caratteri a variazione continua sono controllati da molti geni con effetto additivo sulla manifestazione fenotipica Variabilità fenotipica Componente genetica Componente ambientale (condizioni pedoclimatiche e pratiche colturali)

18. Relazione tra genotipo e fenotipo Per comprendere le regole base della ereditabilità bisogna mettere in correlazione genotipo e fenotipo GENOTYPE (GENES) Developmental interections PHENOTYPE

19. Relazione tra genotipo e fenotipo GENOTYPE (GENES) ENVIRONMENT Developmental interections PHENOTYPE In altre parole l’ambiente e il genotipo interagiscono per produrre il fenotipo.

20. Uno dei problemi principali della genetica quantitativa consiste nel capire come distinguere quando la variabilità per un carattere tra gli individui di una popolazione è dovuta alla genetica, quando è di origine ambientale Vp = VG + VE Come si misura la variabilità fenotipica? Come si scompone la variabilità fenotipica nelle sue componenti? Chiedere aiuto alla statistica «il ruolo della metodologia statistica è essenziale nell’applicazione del metodo scientifico» Ercole Ottaviano 1995

21. Un metodo per riassumere i fenomeni di carattere quantitativo è rappresentato dalla distribuzione di frequenza, ovvero dalla descrizione di una popolazione in termini di proporzione di individui che possiedono ciascun fenotipo Si contano quanti individui ricadono all’interno dell’intervallo del fenotipo in questione

22. 9.1 MISURA DEI CARATTERI QUANTITATIVI Dati relativi a caratteri quantitativi = entità numeriche rappresentati mediante una distribuzione di frequenza (= dividere il carattere in classi fenotipiche di un preciso intervallo) Istogrammi mettono in relazione valori fenotipici e frequenze relative Distribuzione di frequenza = curva di distribuzione normale (gaussiana) in cui il carattere varia in modo simmetrico secondo una curva a campana (teorica) Carattere quantitativo -> calcolo del valore centrale del campione e deviazione attorno alla media (standard) In praticala dimensione della popolazione è molto più elevata dei dati di campionamento In teoriamisure e campioni dovrebbero coincidere Il campione è solo rappresentativo (-> campionamento casuale sufficientemente grande)

23. 9.1 MISURA DEI CARATTERI QUANTITATIVI Media statistica = somma delle osservazioni diviso numero delle osservazioni  (x1 + x2 + …. + xn ) x = n Raccogliere osservazioni in gruppi (intervalli di classe di ampiezza stabilita a priori), inserirli in un grafico ed estrapolare una distribuzione di frequenza Moda = valore più frequente nel campione Mediana = valore centrale di una serie Distribuzione di frequenza consente di descrivere graficamente un carattere quantitativo -> “Normale” con andamento simmetrico Valore centrale = media Ma come variano i valori all’interno dei campioni stessi? Varianza = quanto i valori si discostano dalla media (più grande è, più i valori sono dispersi)

24. Le tre misure con tendenza centrale più comuni: • Media  indica la media aritmetica che viene calcolata sommando un insieme di numeri e quindi dividendo la somma per la quantità dei numeri sommati. La media di 2, 3, 3, 5, 7 e 10, ad esempio, è data dalla divisione di 30 per 6, ovvero 5. • Mediana indica il numero che occupa la posizione centrale in un insieme di numeri, ovvero una metà dei numeri ha un valore superiore rispetto alla mediana, mentre l'altra metà ha un valore inferiore. La mediana, ad esempio, di 2, 3, 3, 5, 7 e 10 è 4. • Moda indica il numero più ricorrente in un insieme di numeri. La moda, ad esempio, di 2, 3, 3, 5, 7 e 10 è 3.

25. In una popolazione i fenotipi di individui per un carattere quantitativo tende ad avere una distribuzione normale

26. Distribuzione normale Standard Deviation Mean (average -center of distribution) La media: +/- 1s = 66% dei valori +/- 2s = più del 95%

27. Curve gaussiane aventi stessa media (µ) ma diversa deviazione standard (σ). Distribuzione normale • Variabilità continua µ  2

28. s (s) = s2 9.1 MISURA DEI CARATTERI QUANTITATIVI Varianza (s2 o s2) = rapporto tra le devianze (= somma delle differenze dei valori osservati e della media, elevati al quadrato), diviso i gradi di libertà Deviazione standard = si preferisce alla varianza ed è espressa nella stessa unità di misura delle osservazioni (più grande è, più i valori delle osservazioni si discostano dalla media, più la curva è bassa e larga) In una popolazione infinitamente grande, la distribuzione degli istogrammi è rappresentata dalla caratteristica forma a campana

30. 9.1 MISURA DEI CARATTERI QUANTITATIVI Coefficiente di variabilità (CV) = rapporto percentuale tra la deviazione standard e la media del campione CV = s (s) 100 x serve a comparare la quota di variabilità tra 2 campioni…. prendendo in considerazione solo le dev stand. sembrerebbe che i dati relativi al carattere altezza siano più dispersi …. i CV indicano invece la distribuzione del carattere peso a presentare una maggiore variabilità

31. Una difficoltà, quando di pensa in termini di fenotipo, è isolare i caratteri dal loro contesto. Studiarli singolarmente può essere artificiale perché gli organismi sono composti da numerosissimi caratteri Geni e fattori ambientali possono avere un effetto su diversi caratteri. Ad es. i geni che controllano l’altezza possono essere pleiotropici sul peso e viceversa Due o più caratteri sono spesso associati o correlati Se un carattere subisce un cambiamento, è possibile che cambi anche l’altro

32. Cov xy Coefficiente di correlazione (r) = s2x s2y Covarianza (covariance) = misura se i valori di due set di campioni (genitori e progenie) variano in maniera corrispondente (+), indipendente (0), o contrastante (-)  (xi – x) (yi – y) Covarianza (cov xy) = n - 1 Il coefficiente di correlazione misura l’intensità dell’associazione tra due variabili (x = lunghezza del corpo; y = larghezza del cranio) Può variare tra -1 e +1 e indica la direzione della correlazione • Positiva (incremento di una variabile associata all’incremento dell’altra variabile) • Negativa (incremento di una variabile associata al decremento dell’altra variabile)

33.  (xi – x) (yi – y) = 17979/19 = 946,26 Covarianza (cov xy) = n - 1  (xi – x)/n-1 = 874/19 = 46,00 s2 (s2) =  (yi – y)/n-1 = 447148/19 = 23534,10 s2 (s2) = 946,26 r = = 946,26/1040 = 0,9095 46,00 x 23534,10 Tab. 8.10 – Valori significativi minimi del coeff. «r» per diversi gradi di libertà e per livelli di P 1% e 5%

34. Il coefficiente di correlazione indica l’importanza dell’associazione tra due variabili e se la relazione è direttamente o inversamente proporzionale, ma non dà alcuna informazione sulla relazione tra le variabili. Questo viene espresso dalla retta di regressione Regressione (regression) = stima la misura in cui la varianza fenotipica è dovuta a cause genetiche (attraverso la correlazione tra generazione parentale e progenie): grossolanamente, è la misura della diversità genetica ai caratteri quantitativi. bxy = Covxy/VP

35. 9.2 TAPPE FONDAMENTALI DELLA GENETICA QUANTITATIVA Studio dei caratteri quantitativi => Galton 1900 Johannsen 1909 -> influenza esercitata dall’ambiente sull’espressione dei caratteri quantitativi nelle linee pure di fagiolo (autogama) fattori ambientali fattori genetici Variabilità Selezione

36. 9.2 TAPPE FONDAMENTALI DELA GENETICA QUANTITATIVA Yule 1906 -> variabilità continua dei caratteri quantitativi è legata a più coppie alleliche segreganti insieme, senza alcuna spiegazione Nilsson-Ehle 1908 -> influenza di fattori genetici sulla variabilità di un carattere quantitativo in frumento: più geni segreganti in modo indipendente, ereditati in assenza di dominanza con azione sul fenotipo nulla (geni “minus”) o contributiva (geni “plus”) spiega i dati relativi al grado di manifestazione di un carattere quantitativo Emerson e East 1913 -> variabilità di un carattere quantitativo in linee inbred e ibridi di piante allogame (mais) dipende solo da fattori ambientali Variabilità fenotipica in F2 relativa alla variabilità genetica conseguente alla segregazione e alla ricombinazione

37. 9.2 TAPPE FONDAMENTALI DELA GENETICA QUANTITATIVA East 1916 -> ipotesi multifattoriale dell’eredità quantitativa in tabacco (autogama): caratteri quantitativi sono controllati da molte coppie alleliche a loci indipendenti e con azione uguale e cumulativa (additiva) sul valore fenotipico Analisi statistiche e citogenetiche dimostrano come fattori genetici sono associati sugli stessi cromosomi, manifestando inoltre effetti di dominanza e interazione con altri fattori (epistasia) Mather 1941 -> “poligeni” = fattori ereditari coinvolti nel controllo genetico “sistema poligenico” = insieme dei fattori che controllano la variabilità continua dei caratteri

38. 9.3 INFLUENZA DEI FATTORI AMBIENTALI SUI CARATTERI QUANTITATIVI: Esperimenti di Johannsen L’esperimento di Johannsen nello studio dei caratteri quantitativi

39. Aa %omozigoti Generazionisegreganti %eterozigoti 0,50 0,25 0,12 0,06 0,03 0,50 0,75 0,88 0,94 0,97 1 1/2 1/2 2 1/4 3/4 3 1/8 7/8 4 1/16 15/16 5 1/32 31/32 m 1/2m 1-(1/2m) Omozigosi ( ) 1 2m - 1 1- 2m 2m n ( ) 2m - 1 n = N. di coppie alleliche inizialmente ibride 2m Autofecondazione e omozigosi

40. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 n. di coppie alleliche inizialmente ibride 0,9 0,8 1 0,7 0,6 2 0,5 5 Percentuale degli omozigoti 0,4 10 0,3 100 0,2 0,1 0 n. di generazioni segreganti (m)

41. LINEA PURA Insieme di individui derivati per autofecondazione da un capostipite Omozigote

42. Il risultato finale dell’autofecondazione degli ibridi è una popolazione omozigote, ma non omogenea perché costituita da famiglie omozigoti per alleli diversi Il numero possibile di famiglie omozigoti è 2n, dove “n” indica il numero delle coppie alleliche inizialmente eterozigoti nell’ibrido

43. Lo studio dell’eredità dei caratteri quantitativi è essenziale per il miglioramento genetico

44. Wilhelm Ludvig Johannsen (1857 - 1927) • ha messo in evidenza l’azione congiunta dei fattori genetici e dei fattori ambientali nell’eredità dei caratteri quantitativi. Tra il 1903 e il 1909 egli realizzò una serie di esperimenti allo scopo di valutare l’eredità del peso del seme in una specie strettamente autogama come il fagiolo (Phaseolus vulgaris)

45. Phaseolus vulgaris Specie prev. autogama

46. 9.3 INFLUENZA DEI FATTORI AMBIENTALI SUI CARATTERI QUANTITATIVI: Esperimenti di Johannsen Azione congiunta tra fattori genetici e fattori ambientali nell’eredità dei caratteri quantitativi Tipo di eredità del peso del seme nella pianta autogama di fagiolo (eterozigote a tutti i loci) Dimensioni diverse e relativo peso caratterizzato da variabilità continua 19 semi con peso compreso tra 64,2 cg e 35,1 cg Autofecondazione -> linee pure Semi prodotti da piante che provenivano da semi pesanti => peso medio alto Semi prodotti da piante che provenivano da semi leggeri => peso medio basso Variabilità entro ogni linea dipendeva da fattori ambientali Differenze di natura genetica tra le linee pure della varietà

47. 9.3 INFLUENZA DEI FATTORI AMBIENTALI SUI CARATTERI QUANTITATIVI: Esperimenti di Johannsen Dimostrazione (I esperimento) : i semi di ogni linea sono stati divisi in classi di 10cg di ampiezza piante semi Peso medio uguale a quello della linea pura da cui derivavano Semi di grandezza diversa provenenti dalla stessa linea pura danno origine a piante che producono semi con peso medio caratteristico della linea di partenza

48. Princess Linea 13 Peso medio 45,4 cg selezione dei più leggeri Classi di peso 20-30-40-50 selezione dei più leggeri selezione dei più pesanti selezione dei più pesanti 47,5 - 45,0 - 45,1 - 45,8 35,1 cg 64,2 cg Entro una linea pura semi di grandezza diversa davano progenie con peso caratteristico della linea

49. 9.3 INFLUENZA DEI FATTORI AMBIENTALI SUI CARATTERI QUANTITATIVI: Esperimenti di Johannsen II esperimento: ogni linea pura moltiplicata per 6 generazioni (selezione e moltiplicazione) ricorrendo ai semi più grandi e ai più piccoli In ciascuna linea il peso medio dei semi della sottolinea leggera e pesante sono risultati tra loro simili Il peso medio dei semi in ogni linea rimane costante e la selezione entro la linea pura è inefficace confermando che la variabilità del carattere dipende solo da fattori ambientali Coefficienti di correlazione tra pesi provenienti da ciascuna linea pura e quelli prodotti dalle piante ottenute dai semi di ogni linea sono non significativamente diversi da zero

50. Moltiplicazione entro ogni linea (fagioli grandi e fagioli piccoli) per 6 generazioni Effetti della selezione continuata per sei generazioni entro la linea 1 della varietà di fagiolo “Princess” (Johannsen, 1926) Linea 1 (64,3 cg) Peso medio dei semi delle progenie Peso medio dei semi dei genitori