Propedeuticità consigliate: Botanica generale, Chimica organica, Biochimica

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1 Dott.ssa Lucia Natali DISAAA Tel RICEVIMENTO SU APPUNTAMENTO CdL SCIENZE AGRARIE Genetica Programma 1) Genetica formale. Il lavoro di Mendel e le leggi della eredità biologica: dominanza e recessività, segregazione e ricombinazione in incroci monoibridi, diibridi, ecc., la trasmissione indipendente dei caratteri ereditari. Formule per la previsione dei risultati negli incroci mendeliani. Dominanza incompleta. Codominanza. Allelismo multiplo. Interazioni dei geni nella determinazione di un carattere (epistasia, polimeria, pleiotropia) Dai rapporti di segregazione alla localizzazione dei geni nei cromosomi. Concatenazione di geni (linkage) e scambio (crossing over). Mappe genetiche. Costruzione di mappe genetiche con incroci a due e tre punti. Determinazione genetica del sesso ed eredità legata al sesso. I caratteri quantitativi (cenni). 2) Genetica molecolare. Il DNA come materiale ereditario. Struttura e replicazione del DNA. Struttura e organizzazione dei cromosomi. Struttura del genoma eucariotico: sequenze di DNA a diverso livello di ripetitività. Gli elementi trasponibili. Struttura molecolare dei geni eucariotici: introni ed esoni. Il promotore: struttura e funzione. Struttura e funzione dei diversi tipi di RNA eucariotici. Il flusso dell informazione genica: trascrizione e maturazione degli RNA messaggeri, sintesi proteica e codice genetico. Regolazione dell espresione genica negli eucarioti: fattori di trascrizione regolatori, mirna e regolazione post trascrizionale. 3) Studio della variabilità genetica. Le mutazioni. Mutazioni spontanee e indotte. I principali agenti mutageni fisici e chimici e loro meccanismo di azione. Mutazioni geniche. Mutazioni cromosomiche. Mutazioni genomiche (allopoliploidia e autopoliploidia). Importanza dei meccanismi genetici nell evoluzione delle piante coltivate : il genere Triticum. Esercitazioni Esercitazioni in aula per la risoluzione di problemi di genetica formale e costruzione di mappe genetiche. Alla fine del corso è prevista una esercitazione di laboratorio per la purificazione del DNA da tessuti vegetali. Testi consigliati: Genetica e Genomica vol. 1 Genetica generale G. Barcaccia e M. Falcinelli, Liguori Editore Genetica (un approccio molecolare) P.J. Russell. Ed Pearson Princìpi di Genetica JP Brooker Ed. Mc Graw Hill Propedeuticità consigliate: Botanica generale, Chimica organica, Biochimica Modalità di esame: Esame scritto finale Commissione d esame: Dott.ssa Lucia Natali (presidente), Prof. A. Cavallini Dott. R. Bernardi, Dott. C. Pugliesi (supplente), Dott. T. Giordani (supplente).

2 Libri consigliati: -Barcaccia e Falcinelli GENETICA e GENOMICA vol I (LIGUORI) -Russell GENETICA (EdiSES) -Brooker PRINCIPI di GENETICA Ed McGraw-Hill Il corso si divide in quattro parti: Genetica formale ( o della trasmissione dei caratteri) Genetica molecolare (dal DNA alla struttura del genoma) Mutazioni ( geniche, cromosomiche e genomiche) Origine ed evoluzione delle piante coltivate (cenni) MODALITA DI ESAME: - prova scritta finale -il voto dello scritto si può migliorare con un esame orale facoltativo ma il voto dello scritto non è garantito

3 Su Su YOU TUBE troverete animazioni su MITOSI e MEIOSI Ripassare la struttura dell apice vegetativo!!!!!! Serve per le mutazioni

4 La MITOSI è un meccanismo che consente la divisione ordinata e perfetta di tutto il materiale ereditario, che viene duplicato nella fase S, consentendo la produzione di cellule tutte geneticamente uguali.

5 La MEIOSI consente la riduzione a metà del patrimonio genetico, in modo che alla fecondazione si ricostituisca (quantitativamente) il patrimonio genetico della specie.

6 La meiosi consente la ricombinazione dei caratteri che un individuo ha ricevuto dal padre e dalla madre e quindi la produzione di variabilità genetica, fondamentale per l adattamento all ambiente e l evoluzione della specie.

7 PROCARIOTI Unicellulari Batteri Caratteristiche della cellula procariotica: Parete cellulare (peptidoglicano) Membrana plasmatica Citoplasma che contiene DNA RNA e Proteine EUCARIOTI Pluricellulari e unicellulari Es. animali piante funghi Caratteristiche della cellula eucariotica: Parete cellulare (cellulosa) cellule vegetali Membrana plasmatica Citoplasma con organelli Nucleo separato dal citoplasma DNA organizzato in cromosomi

8 La cellula vegetale La cellula animale

9 CICLO RIPRODUTTIVO Es. Mais

10 Batteriofago Escherichia coli Arabidopsis BA thaliana Caenorhabditis elegans

11 Che cosa è la genetica? La genetica è la scienza che studia le leggi e i meccanismi per mezzo dei quali si trasmettono i caratteri di generazione in generazione Le leggi della genetica, al pari di quelle della fisica o della chimica, regolano l evoluzione della materia vivente. Come le leggi della fisica o della chimica, le leggi della genetica sono fondamentali per capire il mondo che ci circonda. esattamente come per le leggi della chimica e della fisica, non bisogna averne paura!

12 GENETICA FORMALE Le leggi di Mendel Dalle leggi di Mendel al fenotipo - incroci monoibridi - la legge della Dominanza - la legge della Segregazione - incroci diibridi - la legge dell indipendenza dei caratteri - interazioni alleliche - interazioni geniche - pleiotropia - allelismo multiplo - i caratteri quantitativi - geni associati - Mappe genetiche

13 I Premendeliani: lo studio dei meccanismi di trasmissione dei caratteri inizia nel 1700 grazie all opera dei primi selezionatori o ibridatori Camerarius (1694): scoperta della fecondazione Fairchild, Bradley e altri (1717): scoperta della possibilità della ibridazione interspecifica (Dianthus, mais e specie affini) Koelreuter (1761): l ibrido Nicotiana rustica x N. paniculata mostrava caratteristiche intermedie rispetto ai genitori ed era sterile; l ibrido era uguale indipendentemente dall uso dei genitori come maschio o come femmina; l ibrido reincrociato con N. rustica dava una progenie molto variabile, con individui simili a rustica e altri simili a paniculata. Un ibrido dà quindi una progenie variabile. Gaertner (1838, 1849), Naudin (1862): assoluta rassomiglianza di ibridi ottenuti da incroci reciproci; ricomparsa, nella 2 a e 3 a generazione degli ibridi, dei caratteri introdotti con l incrocio; la variabilità nella progenie è segno della natura ibrida dell individuo. Knight (1823): in pisello, l incrocio fra piante a fiori rossi e piante a fiori bianchi dava solo piante a fiori rossi; il reincrocio di queste con piante a fiori bianchi dava piante a fiori rossi e piante a fiori bianchi.

14 Gregor MENDEL ( ) Marzo 1865: Ricerche sugli ibridi delle piante

15 Impostazione degli esperimenti di Mendel: a) scelta dei caratteri (caratteri singoli, presenti in forme alternative facilmente distinguibili) b) scelta della specie (Pisum sativum, facile da coltivare, annuale e autogama -> linee pure) c) analisi dei dati (su generazioni successive e su grandi numeri, per ricondurre i fenomeni ereditari a una base quantitativa) d) deduzione di leggi generali (i dati sperimentali fanno comprendere il meccanismo biologico alla base della trasmissione dei caratteri ereditari, che Mendel ritiene generalizzabile a tutti gli organismi) Riscoperta del lavoro di Mendel nel 1900 da parte di De Vries (NL), Correns (D) e Tschermack (A)

16 I sette caratteri utilizzati da Mendel 1 - fiore porpora / fiore bianco 2 - cotiledoni gialli / cotiledoni verdi 3- seme liscio / seme rugoso 4 - baccelli immaturi verdi / baccelli immaturi gialli 5 - baccelli lisci / baccelli irregolari 6 - pianta alta / pianta nana 7 - fiori assiali / fiori terminali

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18 Come venivano realizzati gli incroci

19 .. e gli incroci reciproci

20 INCROCIO MONOIBRIDO P F1 Legge dell uniformità della progenie F 1 e della dominanza: gli ibridi di prima generazione (F1) costituiscono una popolazione uniforme di individui che manifestano solo una delle due forme di ogni carattere, definita dominante, contrapposta all altra, definita recessiva, che rimane mascherata. F2

21 Incrocio monoibrido ripetuto per i sette caratteri e analisi dei dati delle F2 Esperimenti di Mendel con l analisi dei caratteri delle piante F 2 derivate dalla AUTOFECONDAZIONE DI INDIVIDUI F 1 carattere piante con il carattere rapdominante recessivo porto semi lisci : semi rugosi ,96 : 1 cotiledoni gialli : cotiledoni verdi ,01 : 1 baccello liscio : bacc. con costrizioni ,95 : 1 baccello verde : baccello giallo ,82 : 1 fiori ascellari : fiori terminali ,14 : 1 pianta alta : pianta nana ,84 : 1 fiore porpora : fiore bianco ,15 : 1 CONCLUSIONI Nella generazione F2, ottenuta dagli ibridi F1, ricompaiono individui con il carattere recessivo in una proporzione ben definita e cioe nel rapporto di tre con il carattere dominante e uno con il carattere recessivo 3:1 Rapporto di segregazione in F2 : 3:1

22 Teoria dei Fattori: ogni carattere è determinato da 2 fattori, entità fisiche ereditarie portate dalle cellule germinali ogni fattore può esistere in due stati alternativi, uno dominante e uno recessivo; i due fattori segregano l uno dall altro durante la formazione dei gameti, così ogni gamete maschile e femminile porta un solo fattore i gameti si incrociano in modo del tutto casuale Nel suo lavoro Mendel propose di indicare i fattori con una lettera Legge della segregazione: in un ibrido F1 i due fattori segregano (si separano) l uno dall altro al momento della formazione dei gameti

23 Verifica in F 3 : se la teoria di Mendel è corretta, alcune piante F 2 dominanti segregano ancora in F 3, altre no. Il rapporto atteso è di 2:1 segreganti: non segreganti Esperimenti di Mendel con l analisi dei caratteri delle piante F 3 derivate dalla autofecondazione di individui F 2 carattere piante F 2 con il carattere dominante rapporto segreganti(dd) non segreganti(dd) forma del seme ,93 : 1 colore dei cotiledoni ,13 : 1 colore dei fiori ,78 : 1 tipo di baccello ,45 : 1 colore del baccello ,50 : 1 posizione del fiore ,03 : 1 altezza ,57 : 1

24 Schema dell incrocio monoibrido e terminologia moderna P AA x aa gameti A a F 1 Aa F 2 AA Aa Aa aa gameti maschili A gameti femminili A a a F 3 AA AA AA aa AA Aa Aa aa AA Aa Aa aa AA aa aa aa AA: omozigote dominante Aa: eterozigote aa: omozigote recessivo Bateson nel 1906 ha coniato il termine GENETICA e poi eterozigote e omozigote Johansen nel 1909 ha coniato il termine gene, genotipo e fenotipo

25 Verifica con il REINCROCIO: P Fiore rosso AA x bianco aa F 1 rosso Aa BC 1 rosso Aa x aa gameti A a a A a a Aa aa Risultato atteso Risultato osservato Aa : aa 1 : 1 50% fiore rosso(dom) 50% fiore bianco (rec)

26 Esercitazione n. 1: 1) Nei piselli, il colore rosso del fiore è dovuto ad un gene W dominante e il colore bianco al suo allele recessivo w. Dall incrocio fra i genitori: a) rosso x bianco, si ottenne una progenie di 65 piante a fiore rosso e 67 a fiore bianco; b) rosso x bianco, si ottenne una progenie tutta a fiori rossi. Quali sono i genotipi di ogni genitore? 2) In Vicia faba, il colore nero del seme è dovuto a un gene dominante (N); il suo allele recessivo (n) determina colore bianco. Qual è il genotipo dei genitori nei seguenti incroci? a) bianco x bianco = 73 bianchi b) nero x bianco = 50 neri, 47 bianchi c) nero x nero = 147 neri, 51 bianchi. 3) Alcune piante di mais vennero autofecondate e la progenie venne analizzata per la presenza di piante albine: a) la pianta 1 originò 38 piante verdi e 13 albine b) la pianta 2 originò solo piante verdi c) la pianta 3 originò 42 piante verdi e 12 albine; supponendo che le piante verdi abbiano almeno un allele selvatico B, quale sarà il genotipo delle tre piante analizzate? 4) Nell uomo, il lobo dell orecchio attaccato è dovuto a un allele recessivo e e il lobo dell orecchio libero al suo dominante E. Se una donna con lobo attaccato sposa un uomo con lobo libero il cui padre aveva il lobo attaccato, quante sono le probabilità che un figlio nato da questo matrimonio abbia il lobo dell orecchio attaccato?

27 Incrocio diibrido Incrocio diibrido F 2 caratteri considerati solo forma solo colore forma e colore n n proporzione n proporzione lisci e gialli 315 lisci gialli lisci e verdi 108 rugosi e gialli 101 rugosi verdi rugosi e verdi 32 Nello stesso incrocio entrambi i caratteri danno il rapporto di segregazione 3: 1 I due caratteri si trasmettono in modo indipendente l uno dall altro? Supponiamo che i due caratteri si trasmettano in modo indipendente, che la trasmissione dell uno non influenzi la trasmissione dell altro F 2 3/4 semi lisci 1/4 semi rugosi 3/4 gialli = 9/16 (lisci e gialli) 1/4 verdi = 3/16 (lisci e verdi) 3/4 gialli = 3/16 (rugosi e gialli) 1/4 verdi = 1/16 (rugosi e verdi) Se i due caratteri si trasmettono in modo indipendente si ottiene in F 2 un rapporto in sedicesimi di 9:3:3:1

28 Risultati ottenuti e risultati attesi per le quattro classi fenotipiche in una F 2 di un diibrido cotiledoni frequenze osservate frequenze teoriche lisci e gialli lisci e verdi rugosi e gialli rugosi e verdi totale Il rapporto di segregazione fenotipica in F2 era coincidente con quello atteso per due geni a trasmissione indipendente 9:3:3:1 Legge della trasmissione indipendente dei caratteri: in un ibrido per due o piu caratteri, ogni coppia di fattori si trasmette alla discendenza in modo indipendente dall altra o dalle altre. Al momento della formazione dei gameti in F1 ogni coppia di fattori segrega in modo indipendente l una dall altra. F1 Ww Gg 1/2 W 1/2 w 1/2 G => 1/4 WG 1/2 g => 1/4 Wg 1/2 G => 1/4 wg 1/2 g => 1/4 wg

29 Legge della trasmissione indipendente dei caratteri: in un ibrido per due o piu caratteri, ogni coppia di fattori si trasmette alla discendenza in modo indipendente dall altra o dalle altre. Al momento della formazione dei gameti in F1 ogni coppia di fattori (G g e W w) segrega in modo indipendente dall altra, Si formano quattro tipi di gameti con uguale frequenza Rapporti di segregazione fenotipica F2 9 G - W - 3 G - ww 3 gg W - 1 gg ww

30 Il REINCROCIO del diibrido permette di dimostrare che il diibrido produce 4 tipi di gameti con uguale frequenza P F 1 WWGG x wwgg WwGg BC 1 WwGg x wwgg ¼ rugosi, gialli wg wg ¼ lisci, gialli wg WG G ¼ WG wg ¼ rugosi, verdi wg wg ¼ wg ¼ lisci, verdi wg Wg ¼ Wg ¼ wg ¼ wwgg ¼ WwGg ¼ wwgg ¼ Wwgg

31 INCROCIO TRIIBRIDO P AABBCC x aabbcc G ABC abc F 1 AaBbCc ABC ABC ABc AbC abc Abc abc abc abc ABc AbC F 2 abc Abc abc abc abc

32 Rapporto di segregazione F 2 in un incrocio triibrido 27/ 64 A-B-C- 9 A-B-cc 9 A-bbC- 9 aab-c- 3 A-bbcc 3 aab-cc 3 aabbc- 1 aabbcc

33 Relazione fra numero di geni (coppie di fattori ), numero di genotipi e di fenotipi e loro distribuzione numerica nella F2 di un incrocio con dominanza completa e distribuzione indipendente dei geni. Numero Numero Numero Numero Numero Rapporti di segregazione di di tipi di com- dei dei fra i fenotipi in geni gametici binazio- fenotipi genotipi F 2 prodotti ni di in F 2 in F 2 dalla F 1 gameti in F n 2 n 4 n 2 n 3 n (3 + 1) n

34 Come si indicano geni e alleli: allele dominante allele recessivo 1) A a 2) R r (nome del gene) 3) b + b (in Drosophila) + b 4) his+ his- (nei batteri) his+ his

35 Esercitazione n. 2 1) Gli occhi azzurri nell uomo sono recessivi e quelli neri dominanti; recessivi sono anche i capelli biondi e dominanti quelli bruni molto scuri (neri) Una ragazza con occhi azzurri e capelli biondi ha madre e padre con occhi e capelli neri e sposa un uomo biondo e con gli occhi neri. Quali sono i genotipi dei genitori della ragazza? Quali saranno i genotipi e i fenotipi dei figli della ragazza? 2) Nell uomo il mancinismo è recessivo e gli occhi azzurri sono recessivi rispetto agli occhi neri. Il padre destro e a occhi neri, la madre destra e a occhi neri hanno un primo figlio mancino e a occhi azzurri; quale è la probabilità che il prossimo figlio sia destro a occhi neri? 3) In una F 2 che mostra segregazione per i geni a e b, quale è la probabilità di ottenere ciascuno dei seguenti genotipi? a) AABB; b) AABb; c) Aabb; d) AaBb; e) aabb. 4) Nelle cavie, il pelo arruffato (R) è dominante sul pelo liscio (r) e il colore nero (B) sul bianco (b). Se si incrociano individui geneticamente puri arruffati e bianchi con individui anch essi puri, lisci e neri, e gli individui della F 1 vengono reincrociati con i genitori a pelo liscio e nero, qual è la proporzione fra fenotipi parentali e ricombinanti in questa discendenza? Supponendo che gli individui ricombinanti vengano incrociati con animali a pelo liscio e bianco, elencate i fenotipi che si ottengono in questo incrocio e in quali proporzioni

36 Valutazione dei dati genetici: test del χ 2 Analizzando la progenie di incroci mono o diibridi i dati sperimentali si discostano sempre da quelli teorici per effetto del caso. Dimensioni grandi del campione riducono l effetto del caso Noi possiamo saggiare l effetto del caso usando un metodo statistico chiamato test del chi-quadrato Cosa testa il chi-quadrato: valuta se le differenze dal rapporto atteso sono dovute al caso o sono differenze REALI. Ci permette di verificare se l ipotesi che noi facciamo è corretta oppure no

37 Test del Chi- Quadrato Passo 1: Stabilire l ipotesi zero (H 0 ) Questa ipotesi assume che non esista nessuna differenza reale tra i valori osservati e i valori attesi Incrocio Monoibrido : Il rapporto osservato non è diverso dal rapporto atteso (3:1) Incrocio Diibrido: Il rapporto osservato non è diverso dal rapporto atteso (9:3:3:1) Noi usiamo il test del chi-quadrato per determinare se possiamo accettare l ipotesi zero (differenze tra i valori osservati e quelli attesi sono dovute al caso) oppure se dobbiamo rifiutarla ( differenze tra i valori osservati e quelli attesi sono reali)

38 Test del Chi- Quadrato Passo 2: Calcolare il valore di chi-quadrato per l incrocio in esame χ 2 S (osservati attesi) 2 = attesi = (-10) 2 (10) Per ciascun fenotipo, calcolare un valore di chi-quadrato, poi sommare ciascun valore di chi-quadrato per ottenere il valore del chi-quadrato totale per quell incrocio χ 2 calc = 0,53

39 Ora dobbiamo confrontare il valore di χ 2 calcolato con i valori tabulati. La tabella del χ 2 riporta la probabilità che i valori osservati siano diversi da quelli attesi per effetto del caso, dati i giusti gradi di libertà Passo 3: Determinare i gradi di libertà per quell incrocio gdl = n - 1 n = numero di differenti classi di dati (classi fenotipiche) In un incrocio monoibrido in F2 avrò due classi fenotipiche (Dom e Rec) e su 100 piante totali una volta determinato il n. delle piante di una classe (p.es.25) il numero di piante dell altra classe è obbligato, (100-25) quindi in questo incrocio i Gradi di libertà sono = 1

40 Test del Chi- Quadrato Passo 4: confrontare il valore di χ 2 calcolato con il valore di χ 2 tabulare - Se il valore di χ 2 calcolato è MINORE del valore tabulare, ACCETTIAMO L IPOTESI H 0 - Se il valore di χ 2 calcolato è MAGGIORE del valore tabulare, RIFIUTIAMO L IPOTESI H 0 e diciamo che la differenza non è dovuta al caso, Così, a un valore p di 0.05 e 1 grado di libertà Il valore di χ 2 tabulare = 3.84 Il valore di χ 2 calcolato = 0.53 Il valore calcolato è minore di quello tabulare, quindi, accettiamo H 0 H 0 = Il rapporto misurato non è diverso dal rapporto atteso 3:1

41 Test del Chi- Quadrato Se il valore di χ 2 calcolato è maggiore di 3,84 vuol dire che la probabilità che i valori osservati siano diversi da quelli attesi per effetto del caso è minore del 5%, quindi i valori sono realmente diversi e rifiuto H0 Se il valore di χ 2 calcolato è minore di 3,84 vuol dire che la probabilità che i valori osservati siano diversi da quelli attesi per effetto del caso è maggiore del 5% quindi i valori sono uguali e posso accettare H0 (in questo caso è > del 20%!)