struttura genetica delle popolazioni di piante da orto genetica.pdf · struttura genetica delle...
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Struttura genetica delle popolazioni Struttura genetica delle popolazioni di piante da ortodi piante da orto
Gamia
Cose da sapere per cominciare
Impollinazione
PartenocarpiaApirenia
Tubetto pollinico
Gametofito
Sacco embrionale
Doppia fecondazioneSinergidi
Micropilo
XeniaEndosperma Nucleo secondario
Fecondazione
Nucleo spermatico
Nucleo vegetativo
Anfimissia: riproduzione sessuale per seme
L’embrione si forma in seguito ad autofecondazione
L’embrione si forma in seguito a fecondazione incrociata
Riproduzione nelle angiosperme
Apomissia: riproduzione asessuale per seme
L’embrione si forma da una cellula 2n, somatica o di un sacco embrionale non ridotto
Autogamia
Allogamia
Propagazione vegetativa: moltiplicazione per parti vegetative
Struttura genetica
100
Percentuali di allogamia
Lorenzetti et al. 1994
93
90
90
5-35
1-6
2-5
0-4
70
70
70
100
100
100
1
100
Struttura genetica
Strutture fioraliSpecie prevalentemente autogame
Cleistogamia: fecondazione a fiore chiuso, è un meccanismo frequente di autofecondazione (es. orzo)
Peperone e melanzana hanno il fiore pendulo, il polline cade spontaneamente sullo stigma, mentre si trova all'interno della colonna staminale
Nel pomodoro lo stilo si allunga all'interno del cono formato dagli
stami e viene autoimpollinato.Se però è molto lungo puo' fuoriuscire prima della fecondazione e venire impollinato da pronubi
LattugaLo stilo si allunga all'interno della colonna staminale, raccogliendo il polline. L'avvenuta fecondazione è rivelata dall'incurvamento dei due lobi dello stigma
Struttura genetica
Fiore di lattuga si vedono gli stigmi già ricoperti di polline ma non ancora incurvati verso il basso. Lavando via il polline si può emasculare, per poi realizzare l'incrocio
portando il polline del partner prescelto
Struttura genetica
Dioicismo
I fiori maschili e femminili sono portati da individui diversiNelle angiosperme la separazione dei sessi è rara (circa il 5% delle specie)
Strutture fioraliSpecie prevalentemente allogame
Determinazione del sessoCromosomica (spinacio ?)Genetica (asparago)
Struttura genetica
Con fiori monoclini intervengono meccanismi genetici per l'esclusione o riduzione dell'autofecondazione
Strutture fioraliSpecie prevalentemente allogame
Dicogamia
Sfasamento dell’antesi maschile e femminile
Proterandria: il polline viene rilasciato prima che lo stigma sia ricettivo. Si trova nelle Apiacee (carota)
Proteroginia: il polline viene rilasciato quando lo stigma non è più ricettivo
Struttura genetica
IncompatibilitàIncapacità di produrre seme pur in presenza di gameti maschili e femminili funzionali
Auto/alloincompatibilità
Presente in almeno 300 specie, specialmente di Asteracee, Brassicacee,
Graminacee, Rosacee e Solanacee
Incompatibilità di tipo
Monofattoriale Bi/multifattoriale Gametofitico Sporofitico
Beta + +
Brassica + +
Cichorium intybus + +
Lycopersicum + +
Rapahanus + +
Solanum + +
In piante da orto
Struttura genetica
L'incompatibilità può essere classificata in tre modi
Omomorfica o EteromorficaI fiori compatibili hanno morfologia diversa
Monofattoriale o BifattorialeUno o più loci coinvolti
Gametofitica o SporofiticaDeterminata dal genotipo del polline o da quello della pianta da cui proviene
Struttura genetica
Sistema sporofitico
Omomorfico/Eteromorfico Monofattoriale/bi(multi)fattorialeDiallelico/MultiallelicoDominanza/Codominanza tra alleli
Ssss
Sistema sporofitico-gametofitico: Cacao
Sistema post-zigotico poligenico: Autosterilità
Fiore a spillo Fiore a spazzola
Es. PetuniaSporofiticoMonofattorialeEteromorfico
S1 S2
Sistema gametofitico
Monofattoriale/BifattorialeMultiallelico
Le unioni posso essere: Compatibili S1S2 x S3S4 -> S1S3, S1S4, S2S3, S2S4
Semicompatibili S1S2 x S1S3 -> S1S3, S2S3
Incompatibili S1S2 x S1S2 -> non si ottiene seme
Es. TrifoliumGametofiticoMonofattorialeOmomorfico
Incompatibilità
Struttura genetica
CaratteristicaCaratteristicaSistemaSistema
SporofiticoSporofitico GametofiticoGametofitico
Reazione controllata da Genotipo parentale Genotipo del polline
Momento dell’azione del
gene S nel pollinePre-meiotico (?) Post-meiotico
Tipo di polline Tricellulare Bicellulare
Tipo di stigma Asciutto Umido
Sito e momento della
reazione
Superficie stigmatica -
PrecoceStilo - Tardivo
Localizzazione dei fattori
maschiliSuperficie dell’esina Tubetto pollinico
Localizzazione dei fattori
femminiliStigma Stilo
RispostaCallosio nel polline e
nelle papille stigmatiche
Callosio nel tubetto;
scoppio dell’apice
Caratteristiche dei due sistemi principali di autoincompatibilità
Struttura genetica
Incompatibilità
S1S2 x S3S4 -> S1S3, S1S4, S2S3, S2S4
SS11SS33 S S11SS4 4 S S22SS3 3 S S22SS44
SS11SS3 3 XX O O O O OO
SS11SS4 4 OO XX O OO O
SS22SS3 3 O OO O XX OO
SS22SS4 4 O O O OO O XX
Con 4 alleli4/16 degli incroci sono incompatibili
Come si individua l’esistenza di un sistema di autoincomaptibilità ?
Il numero di incroci incompatibili in una popolazione serve a valutare il numero di alleli
In una popolazione con n alleli n/n2 degli incroci casuali sono incompatibili
Es. Sistema gametofitico monofattoriale
Incrocio diallelico tra F1
Struttura genetica
I sistemi più studiati
1. Crucifere (Brassica)
Sporofitico, monofattoriale, omomorfico
Risposta stigmatica precoce, inibizione della
germinazione del polline
2. Solanacee
(Nicotiana, Lycopersicum, Solanum)
Gametofitico, monofattoriale, omomorfico
Risposta stilare, lisi del tubetto pollinico
3. PapaveroGametofitico, monofattoriale, omomorfico
Risposta stigmatica, lisi del tubetto
pollinico
Struttura genetica
Incompatibilità
oleracea, campestris, ecc. - Sistema sporofitico, fino a 80 alleli
Componenti polliniche
SCR/SP11
Piccola proteina secreta ricca di cisteina.Si lega a SRK e SLG
PCP-A1 : Pollen Coat Protein. Interagisce con SLR e SLG
SLR-BP1,2 : SLR-binding proteins
Brassica
Componenti stigmatiche
SLG : S-locus Glycoprotein Glicoproteina secreta
SRK : S-locus Receptor Kinase Ha tre domini1. dominio extracellulare con alta omologia a SLG2. dominio transmembrana3. dominio kinasico
SLR1 : S-Locus Related protein
AquaporinAquaporin
Se avviene il riconoscimento tra le
componenti polliniche e stigmatiche
del sistema viene bloccata la
secrezione di acqua dello stigma che
permette la germinazione del polline
Incompatibilità
Petunia, Lycopersicum, Nicotiana, Solanum
Solanacee
Lycopersicum peruvianum
Combinazione incompatibile Combinazione compatibile
Tubetti pollinici che si allungano nello stilo, colorati con blu di anilina, che rivela, attraverso la fluorescenza agli UV, il
callosio presente nelle pareti del tubetto
Struttura genetica
Incompatibilità
Rnasi S1
Rnasi S3
Inibitoredell’Rnasi
Fattore P1
Fattore P2
Stilo S1S3
Tubetto pollinico P1
Incrocio incompatibile
Stilo S1S3
Tubetto pollinico P2
Incrocio compatibile
Trasportatoredi membrana
Struttura genetica
Incompatibilità
L'autofertilità del pomodoro si è originata per mutazione di geni del pathway, selezionati durante la domesticazione
Spesso l'autocompatibilità si trova nelle piante coltivate, mentre i progenitori selvatici sono autoincompatibili:
Offre la sicurezza di produrre semi e frutti anche quando le condizioni ambientali sono sfavorevoli
all'impollinazione e allegagione
Struttura genetica
Incompatibilità
Incompatibilità e miglioramento genetico
In negativo:impedisce l’ottenimento di linee inbred
ma in qualche caso può essere “aggirata” es. “bud pollination” in Brassica oleracea
In positivo:Può essere sfruttata per fare incroci controllati
(ma spesso non è “affidabile”)
Struttura genetica
Verifica sperimentale del sistema riproduttivo
La conoscenza delle quote di incrocio e autofecondazionenelle condizioni in cuiopera il breeder è molto importante
Struttura genetica
struttura genetica popolazione
metodi di miglioramento
tipi di varietà ottenibili
distanze di isolamento
�Dioicismo�Fiori diclini�Dicogamia�Fiori visitati da insetti�Polline portato dal vento
Dimostrano o suggeriscono prevalente allogamia
�Cleistogamia : Dimostra l’autogamia
1. Esame dei fiori e della biologia riproduttiva
La patata coltivata spesso non produce fiori...
Isolamento di piante o infiorescenze singole
Non si produce seme: Allogamia
Si produce seme
L’esame delle progenie può darci ulteriori
informazioni: Depressione da
inbreeding??
Si: preval. allogamia
No: preval. autogamia
2. Determinazione delle percentuali di allo- e autogamia
Struttura genetica http://www.edor.se/photo-gallery.html
Determinazione delle percentuali di allo- e autogamia mediante marcatori genetici
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Vengono coltivati pochi genotipi omozigoti per un gene marcatore recessivo (che, ad es. determina assenza di antociani, plantule verdi) randomizzati in mezzo a genotipi omozigoti dominanti (presenza di antociani, plantule violacee)
Si raccoglie quindi il seme sulle piante omozigoti recessive La percentuale di plantule con antociani nelle loro progenie fornirà una stima della percentuale di incrocio
Sono necessarie prove ripetute per più anni consecutivi e in più ambienti
�Marcatori per caratteri dei semi (cotiledoni o endosperma) sono molto utili perché non è necessario allevare le progenie, grazie alla xenia
�Tra i marcatori per caratteri delle piante sono più utili quelli che si manifestano allo stadio di plantula (come la presenza/assenza di antociani) perché danno la risposta molto più presto di quelli che si manifestano in piante adulte (colore fiori ecc.)
�I marcatori molecolari si utilizzano allo stesso modo, ma bisogna trovare un allele raro !
Struttura genetica
6% 9% 8% 3%
plantule con antociani nelle progenie
Allogamia
media
6,5%
Struttura genetica delle popolazioni di piante
E’ determinata dal sistema riproduttivo e quindi è diversa per le specie a propagazione vegetativa, a riproduzione prevalentemente autogama e prevalentemente allogama
Incrocio -> Segregazione e ricombinazione
Mutazione spontanea o indotta - Mutazioni gemmarie
- Chimere- Colture in vitro e variazione somaclonale
Le varietà coltivate sono cloniLa selezione clonale ha il compito di mantenere il genotipo
Struttura genetica
Clonepopolazione di individui ottenuti a partire da un singolo individuo mediante propagazione vegetativa.
1. Specie a propagazione vegetativa
Come si genera nuova variabilità da sfruttare per il miglioramento genetico ?
Un individuo estratto da una popolazione di specie autogama dovrebbe dare origine, per autofecondazione, ad una linea pura, in teoria ...
2. Specie a riproduzione prevalentemente autogama
Quanti omozigoti diversi possono formarsi a partire da un idividuo eterozigote?
Aa
AA aa
Monoibrido
AaBb
AABB AAbb aaBB aabb
Diibrido Poliibrido (n loci)
2n possibili omozigoti
L'autofecondazione ripetuta porta all'omozigosi, quindi una popolazione di una specie strettamente autogama dovrebbe essere costituita da individui omozigoti a tutti i loci
Struttura genetica
La variabilità in una popolazione di specie autogama dovrebbe essere esclusivamente quella tra omozigoti diversi
1. Mutazioni spontanee
La loro frequenza in natura è compresa tra 10-5 e 10-6.
Quelle che interessano geni che controllano caratteri quantitativi non hanno un effetto fenotipico evidente, ma accumulandosi in periodi di tempo sufficientemente lunghi, generano variabilità genetica entro linee pure, in modo tale che la selezione al loro interno può essere efficace
Che cosa può determinare variazioni genetiche in una linea pura?
2. Incrocio naturale
Nessuna specie è autogama al 100% !
Se la quota di autofecondazione è s e quella di incrocio t = 1-s, dopo infinite generazioni la frequenza degli eterozigoti sarà pari a
2pq[2t/(2-s)]
Ad esempio con t=0,1 e p=q=0,5 la percentuale di eterozigoti si stabilizzerà al 9 %
Allard e Golden ripeterono gli esperimenti di Johannsen con la varietà di fagiolo Red Kidney ed ebbero un effetto significativo della selezione entro linea pura
Struttura genetica
in pratica ...
Vantaggio degli eterozigoti
Jain e Allard hanno determinato la fitness degli eterozigoti per alcuni geni qualitativi in confronto a quella degli omozigoti in una popolazione di orzo in cui la frequenza di incrocio naturale era pari al 2%
Locus
Fitness
Omozigote
dominanteEterozigote
Omozigote
recessivo
B/b 1,06 1 1,31
S/s 0,81 1 0,96
G/g 1,04 1 0,82
E/e 0,47 1 0,59
B1/b1 0,61 1 0,54
R/r 0,82 1 0,68
Bt/bt 0,96 1 1,06
Sh/sh 0,71 1 0,63
Struttura genetica
La fitness alta degli eterozigoti incrementa la variabilità delle popolazioni autogame
Struttura genetica
Autogamia, adattamento, evoluzione
� L’autogamia favorisce, nelle specie annuali, la produzione di seme, anche in condizioni sfavorevoli alla impollinazione incrociata
Es. Medicago annuali (come M. truncatula) sono autogame, mentre Medicago perenni sono allogame (come M. sativa)
Qualche considerazione
� Molte specie coltivate autogame derivano da progenitori selvatici a riproduzione allogama (es. Solanum): la domesticazione ha favorito la facilià di produrre frutti e semi garantita dalla autofecondazione
� L’autogamia stretta potrebbe compromettere l’adattamento a lungo termine
� L’incrocio occasionale, il vantaggio degli eterozigoti e la mutazione garantiscono il mantenimento di variabilità genetica indispensabile alla sopravvivenza della specie
Le popolazioni di queste specie sono comunità riproduttive di organismi sessuati a riproduzione incrociata che condividono un pool genico comune (Dobzhansky)
Le frequenze dei geni e dei genotipi si modificano nel tempo secondo quanto voluto dalla fitness dei singoli individui della popolazioneTali popolazioni vengono considerate comunemente in equilibrio Hardy-Weinberg
Struttura genetica
3. Specie a riproduzione prevalentemente allogama
E' raro che tutto questo si verifichi !
L'equilibrio HW sussiste nelle condizioni già note:
- popolazione numerosa- assenza di mutazioni differenziali- assenza di migrazione- assenza di selezione- unioni casuali
Costanza delle frequenze geniche
Inoltre, considerando l'insieme dei geni, l'equilibrio si raggiunge lentamente, specialmente per geni associati (v. squilibrio gametico e di linkage)
La struttura genetica delle popolazioni di piante allogame è complessa
Natura della variabilità delle specie allogame
Ecotipi
In ambienti diversi si differenziano gli ecotipi che si caratterizzano per le frequenze geniche e genotipiche
1. Variabilità tra popolazioni
Nota: Non confondiamo gli ecotipi con le varietà locali, o agroecotipi (in inglese land races) che si sono differenziati in coltivazione
(ne tratterete più avanti)
Quando la variazione nello spazio delle frequenze geniche e genotipiche è graduale e non dà origine ad ecotipi nettamente distinguibili si parla di variazione clinale, dovuta a cambiamenti graduali dell’ambiente e al flusso genico tra le popolazioni
Ecotipo ed ecocline
La distinzione dipende dalla densità geografica del campionamento che effettuiamo di una specie e dalla natura del territorio
In ampi territori pianeggianti …..
I caratteri che si prestano di piùa differenziare gli ecotipi sono quelli legati all'adattamento all'ambiente
�Entrata in riposo vegetativo in autunno
�Ripresa vegetativa in primavera
�L’epoca di fioritura e maturazione (precocità)
�La resistenza al freddo, al secco, all’umido...
In territori accidentati …..
Struttura genetica
Tutte le piante sono diverse tra loro e altamente eterozigotiA livello fenotipico però la variabilità non è sempre elevatissima
Infatti un fenotipo adattato può essere prodotto da combinazioni di geni diverse
2. Variabilità entro popolazioni
Ciò è dimostrato da ciò che avviene quando coltiviamo una popolazione di specie allogama in nuovo ambiente
Struttura genetica
Dopo alcune generazioni
Riduzione della variabilità fenotipica:
Ecotipizzazione
Grande variabilità fenotipica iniziale
Omogeneità fenotipica nell'ambiente di
adattamento
Spostamento in un nuovo abiente
La storia dell'erba medica Grimm
Dalla Sassonia al Minnesota a Cipro alla Gran Bretagna
Fattoria di Wendelin Grimm, Carver County, Minnesota, USA
La variabilità genetica di popolazioni allogame si può distinguere in libera, potenziale e criptica
Aa Bb Cc Dd….
AA BB CC DD ….
aa bb cc dd …..
Variabilità potenziale: è quella che non è manifesta a livello fenotipico ma è immagazzinata negli eterozigoti. Perché diventi libera sono necessarie segregazione e ricombinazione
Variabilità libera: è quella che si manifesta a livello fenotipico;dipende dalle differenze tra omozigoti per alleli diversi
Struttura genetica
Variabilità cripticaIl linkage in trans fa sì che la
variabilità potenziale rimanga “nascosta” finchè non si siano verificati tutti crossing-over necessari alla sua trasformazione in variabilità potenziale, prima, e poi in variabilità libera
A b C D e F G h I l
a B c d E f g H i L x x x x x x
A B C D E F G H I L
a b c d e f g h i l
a b c d e f g h i l
a b c d e f g h i l
A B C D E F G H I L
A B C D E F G H I L
Autogamia, allogamia ed evoluzione delle piante
Piante AutogamePiante AutogameAdattamento rapido all’ambiente nel breve periodo grazie alla fissazione dei tipi meglio adattati
Ridotta capacità di adattamento nel lungo periodoBassa flessibilità genetica
Piante AllogamePiante AllogameAdattamento rapido all’ambiente nel breve periodo può essere fornito dalla propagazione vegetativa
Massima capacità di adattamento nel lungo periodoAlta flessibilità genetica
Struttura genetica
Si ritiene che le piante autogame si siano evolute in particolari condizioni da piante ancestrali allogame
I meccanismi che in natura favoriscono l’allogamia sono più diffusi e più sofisticati di quelli che favoriscono l’autogamia
Nota: oggi sappiamo che l'adattamento può essere regolato anche da meccanismi epigenetici e questo ci fa riconsiderare le capacità adattative delle piante autogame nel breve periodo
Biologia riproduttiva, struttura genetica delle popolazioni e modelli varietali
ContinuaLorenzetti et al. Uomini e semi. Patron, 2013
Segue
Produzione di un ibrido di mais: emasculazione del portaseme
Il controllo dell'impollinazione nel miglioramento genetico
Struttura genetica
- Nel miglioramento genetico gli individui selezionati devono essere quasi sempre incrociati tra loro per ottenere la popolazione migliorata
- L'incrocio è il mezzo principale per creare nuove combinazioni di geni e di caratteri da cui selezionare quelle migliori- L'incrocio con uno stesso partner (tester) è un modo per confrontare il valore di diversi genotipi in selezione- L'autofecondazione controllata è necessaria per ottenere linee inbred
1. Autoimpollinazione controllata
- Nelle allogame può essere sufficiente isolare singoli fiori/infiorescenze/ piante- A volte dobbiamo intervenire: fiori diclini (es. mais, cucurbitacee) o fiori che “scattano“
- Nelle autogame (se non sono cleistogame) è prudente comunque isolare le piante o i fiori
Il controllo dell'impollinazione
Struttura genetica
Dobbiamo quindi escludere che avvengano autofecondazioni o incroci indesiderati: il polline è piccolo e vola! Da solo o trasportato dai pronubi
Struttura genetica
2. Incrocio intraspecifico
- E' necessario l'isolamento dei partner dagli altri individui
- Spesso è necessaria l'emasculazione o castrazione manuale/meccanica/ chimica/genetica del genitore femminile (portaseme)
- E' molto utile avere un marcatore genetico (dominante nell'impollinante o codominante) per distinguere le progenie da incrocio da quelle da autofecondazione
X
Es. Medicago sativa
Fiore giallo x violetto“ = “variegato“
http://www.edor.se/photo-gallery.html
Strutture mobili per isolamento e impollinazione controllata
Isolamento
Incrocio intraspecifico
Le tecniche per realizzare l'impollinazione controllata sono molto diverse a seconda della specie
Manuale, portando le antere o il polline raccolto sui fiori del partner maschile sullo stigma del portaseme (di solito emasculato)
Mediato da insetti pronubi allevati ad hoc o comprati dagli apicoltori
In cipolla si usano api o mosche Impollinazione manuale in zucchino
Peperonehttp://www.youtube.com/watch?v=rM9porsseQo&list=UUqyLv50NSDw9MHhtZ3OBrBw
Solanum parte Ihttp://www.youtube.com/watch?v=SQddcAiGBhE&list=UUqyLv50NSDw9MHhtZ3OBrBw
Solanum parte IIhttp://www.youtube.com/watch?v=DXSPYFgJiRQ&list=UUqyLv50NSDw9MHhtZ3OBrBw
Video University of Wisconsin-Madison sul miglioramento genetico http://plantbreeding.wisc.edu/educators/videos/
Cucurbitaceehttp://www.youtube.com/watch?v=V5a-coN2Xgg&list=UUqyLv50NSDw9MHhtZ3OBrBw
Impollinazione
Maschiosterilità
Mutazioni spontanee possono portare alla mancata formazione di polline funzionale
MaschiosterilitàcitoplasmaticaE' determinata da geni mitocondriali ed è quindiad eredità materna (quasi sempre)
MaschiosterilitàgeneticaE' determinata da geni nucleari
Struttura genetica
Maschiosterilità
Genetico-
citoplasmatica
E' una maschiosterilità citoplasmatica che può essere superata grazie a geni nucleari “restorer“
Struttura genetica
Struttura genetica
3. Incrocio interspecifico
E' importantissimo per utilizzare la diversità genetica presente nelle specie affini
In pomodoro, patata e altre specie geni di resistenza alle avversità si trovano moltospesso in specie selvatiche e non nel germoplasma coltivato, ad esempio:
Solanum pimpinellifolium
Solanum pureja
Lycopersicum peruvianum
Struttura genetica
La sterilità dell'ibrido spesso può essere superata mediante raddoppiamento cromosomico
Per far riuscire un incrocio interspecifico si possono usare trucchi come:
- utilizzare genotipi “adatti“- utilizzare una specie “ponte“- raddoppiare icromosomi (es. in patata, 2n=4x=48)- utilizzare genotipi autoincompatibili o maschiosterili come portaseme- Rimozione dello stigma- Mentor pollen
Per definizione gli incroci interspecifici, quando riescono, danno progenie sterili a causa di barriere pre- o post-zigotiche alla fertilità
Una fertilità anche bassissima dell'ibrido può permettere di fare il reincrocio con la specie coltivata
Se la specie è propagata vegetativamente l'ibrido può essere coltivato
Sterilità dell'ibrido
Sommario
La biologia della riproduzione è un vincolo per il breeder e determina i tipi di varietà che possono essere costituiti
L'autoincompatibilità, in particolare, è spesso un ostacolo per l'ottenimento di varietà omogenee
Le percentuali di auto e allogamia devono essere note per le specie, i genotipi e gli ambienti in cui si opera
Le strutture genetiche delle popolazioni autogame e allogame sono molto diverse: le prime sono composte da genotipi ad alto grado di omozigosi, le seconde da genotipi eterozigoti tutti diversi tra loro
Il controllo accurato dell'impollinazione è un requisito di ogni programma di
miglioramento genetico
L'incrocio interspecifico è una risorsa essenziale per attingere alla biodiversità naturale
Struttura genetica