Principi di genetica e miglioramento genetico Roberto Mantovani Università degli Studi di Padova Evoluzioni della genetica 1. Genetica qualitativa 2. Genetica quantitativa 3. Genetica molecolare 1
Il Miglioramento Genetico Riguarda i caratteri quantitativi Metodi di miglioramento: Selezione Rappresenta il metodo universalmente più utilizzato di miglioramento genetico degli animali in produzione zootecnica, anche se di difficile applicazione per caratteri a bassa ereditabilità Consanguineità Utilizzato più come metodo per la costituzione delle razze in passato che oggigiorno come metodo di miglioramento Incrocio Metodo che privilegia l accoppiamento di razze o linee diverse allo scopo di creare particolari e vantaggiose (eterosi) combinazioni genetiche. Adatto per specie prolifiche e caratteri a bassa ereditabilità Genetica quantitativa Legata allo sviluppo, fin dai primi del 900 della Biometria: misura e analisi statistica delle variazioni di alcune caratteristiche fisiche negli organismi nell arco di più generazioni. Relativa dunque a caratteri non classificabili ma misurabili e caratterizzati da variabilità continua. A differenza dei caratteri qualitativi, dove il fenotipo dipende dal genotipo, per i caratteri quantitativi il fenotipo dipende, oltre che dal genotipo, anche da numerosi fattori ambientali. 2
Caratteri quantitativi Sono sotto l influenza di un grande numero di Geni Ogni singolo gene dà quindi un piccolo contributo all espressione del carattere Al contrario dei caratteri QUALITATIVI (controllati da una o più coppie di geni e quindi classificabili in categorie nettamente distinguibili), nei caratteri quantitativi l effetto del singolo gene non è direttamente visibile ma solo misurabile A causa dell alto numero di geni che controllano un carattere quantitativo sono possibili innumerevoli combinazioni di geni e quindi di genotipi La grande quantità di genotipi possibili causa una variazione CONTINUA: aspetto caratterizzante dei caratteri quantitativi La selezione per caratteri quantitativi Consiste nell individuare e scegliere per la riproduzione i genotipi più favorevoli, nel vincolo di individuare quella frazione di individui che, oltre ad avere un numero maggiore di geni favorevoli sia sufficientemente numerosa per consentire: Il mantenimento della consistenza nella popolazione (dipende dall efficienza riproduttiva) Garantire una sufficiente diversità tra individui evitando l eccessiva somiglianza genetica - - + + 3
Come individuare i soggetti con il più alto numero di geni favorevoli? Problemi tecnici : I. Non è noto e non è possibile conoscere il numero di geni favorevoli in un possibile candidato alla selezione L unica cosa nota può essere o possono essere alcuni dati fenotipici (anche ripetuti) dell individuo: performance atletiche, vincite monetarie, caratteri morfologici, longevità, etc. Non sempre i caratteri di interesse economico si esprimono su entrambi i sessi e quindi su tutti i riproduttori e talora i prodotti di un riproduttore possono non essere vincenti come atteso II. III. Indici genetici Gli indici genetici rappresentano solitamente il modo con cui si procede a stimare (non a conoscere del tutto) il valore genetico o breeding value di un individuo (anche se non ha un valore fenotipico noto) Equivale in qualche modo all insieme degli effetti degli alleli favorevoli che possiede o si ipotizza possa possedere Poiché si tratta di una STIMA, questa è sempre accompagnata da un indice di BONTÀ della stima stessa, l accuratezza (accuracy) o attendibilità (reliability) Attenzione: Accuratezza = Attendibilità 4
Come ottenere indici genetici Premessa importante Ogni misura o osservazione di un carattere quantitativo su un animale è influenzata da una componente genetica, di cui una GENETICA ADDITIVA (SOMMA effetti dei geni favorevoli) e una ambientale L obiettivo per chi deve fare selezione è determinare e quantificare la porzione genetica additiva F = µ + GA + GNA + A + E Dove: F = Osservazione fenotipica singola µ = Media generale dei fenotipi GA = Effetto Genetico additivo (da valutare) GNA= Effetto Genetico NON additivo (Trascurato) A = Effetto(i) Ambientali Specifici (di quantità stimabile NOTA) E = Effetto Residuo (non attribuibile a fonti specifiche = errore) Estensione alla popolazione Concetto di Ereditabilità: Nell estendere il singolo valore fenotipico (F) di un individuo all intera popolazione: F 1 = µ + G A1 + A P1 + A T1 + E 1 F 2 = µ + G A2 + A P1 + A T2 + E 2 F 3 = µ + G A3 + A P2 + A T1 + E 3.. F n = µ + G An + A P2 + A T2 + E n Ricordando che - µ è costante per tutti i valori fenotipi - A P e A T sono scarti costanti dalla media generale comuni a gruppi di fenotipi (effetti comuni) e che le costanti hanno varianza=0 In termini di varianza si può riassumere una popolazione con: VF = VG A + VE 5
Ereditabilità Il rapporto tra VARIANZA genetica additiva e VARIANZA fenotipica è detto Ereditabilità e si esprime con l equazione: h 2 = VG A / VF = VG A / VG A + VE QUINDI: - h 2 misura quanta della varianza fenotipica totale (V F ) è dovuta alla varianza genetica additiva (V GA ) - Ha campo di variazione è compreso tra 0 ed 1 6
Ereditabilità e indici genetici sulle prestazioni individuali dell animale singole Esempio: score per la misurazione dell attitudine al salto in libertà (free jumping) in soggetti di razza Holstein Età 3.5 4 4.5 5 5 7 9 8 4 5 4 7 3 9 7 8 6 5 4 9 7 4 7 10 6 7 10 5 3 9 4 7 8 4 10 6 4 9 7 7 4 9 8 6 5.0 6.8 7.0 7.3 Esempio Calcolo Indici Genetici Media Generale: 6.525 Effetto medio dei Gruppi di età (fattore temporaneo individuale che agisce sull espressione del carattere): Età 3.5 anni: -1.525 (5.0-6.525) Età 4.0 anni: +0.275 (6.8-6.525) Età 4.5 anni: +0.475 (7.0-6.525) Età 5.0 anni: +0.775 (7.3-6.525) Se sono note VF = 4.4040 p.ti 2 VG A = 1.98 p.ti 2 Calcolare h 2 e i possibili indici genetici individuali 7
Indici Genetici Poiché F i = µ + G Ai + A Pj + A Tk + E i -> G Ai + E i = F i µ A Pj A Tk Segue che (G Ai + E i )*h 2 = G Ai Fi µ Eta j G Ai +E G Ai Fi µ Eta j G Ai +E G Ai 5 6.525-1.525 0.0 0.0 9 6.525 0.475 2.0 0.9 4 6.525-1.525-1.0-0.5 4 6.525 0.475-3.0-1.4 3 6.525-1.525-2.0-0.9 7 6.525 0.475 0.0 0.0 6 6.525-1.525 1.0 0.5 4 6.525 0.475-3.0-1.4 7 6.525-1.525 2.0 0.9 7 6.525 0.475 0.0 0.0 6 6.525-1.525 1.0 0.5 10 6.525 0.475 3.0 1.4 3 6.525-1.525-2.0-0.9 4 6.525 0.475-3.0-1.4 8 6.525-1.525 3.0 1.4 10 6.525 0.475 3.0 1.4 4 6.525-1.525-1.0-0.5 7 6.525 0.475 0.0 0.0 4 6.525-1.525-1.0-0.5 8 6.525 0.475 1.0 0.5 7 6.525 0.275 0.2 0.1 8 6.525 0.775 0.7 0.3 5 6.525 0.275-1.8-0.8 7 6.525 0.775-0.3-0.1 9 6.525 0.275 2.2 1.0 8 6.525 0.775 0.7 0.3 5 6.525 0.275-1.8-0.8 9 6.525 0.775 1.7 0.8 4 6.525 0.275-2.8-1.3 10 6.525 0.775 2.7 1.2 7 6.525 0.275 0.2 0.1 5 6.525 0.775-2.3-1.0 9 6.525 0.275 2.2 1.0 7 6.525 0.775-0.3-0.1 4 6.525 0.275-2.8-1.3 6 6.525 0.775-1.3-0.6 9 6.525 0.275 2.2 1.0 7 6.525 0.775-0.3-0.1 9 6.525 0.275 2.2 1.0 6 6.525 0.775-1.3-0.6 Metodi di calcolo indici genetici Sire model Considera effetti Ambientali e l effetto genetico additivo dovuto al Padre (quasi abbandonato se non per caratteri come la longevità) Sire + Maternal Grand-Sire Anche questo quasi del tutto scomparso. In tal caso l effetto genetico additivo viene scomposto tra padre e nonno materno (padre della madre) ottenendo un valore genetico per entrambi Animal Model Consente la valutazione simultanea attraverso la matrice di parentela tra tutti gli animali, sia dei soggetti con record fenotipico (latte o attitudine materna in femmine da vita) che degli ascendenti (padri, madri, nonni, etc.) Animal + Maternal model Permette la scomposizione di un effetto diretto dovuto all animale più un effetto dovuto alla madre del soggetto con rilievo fenotipico (utile per caratteri dove c è anche influenza materna) 8
Metodi di valutazione genetica dei riproduttori Sono le metodiche attraverso cui si raccolgono i dati per calcolare indici genetici individuali PROGENY TEST: Per caratteri direttamente misurabili sui riproduttori maschi ma solo in parte e in gran parte definiti nella loro progenie (performance atletiche, longevità) PERFORMANCE TEST: Per caratteri direttamente misurabili sui riproduttori maschi e femmine poi adibiti direttamente alla riproduzione (performance atletiche, conformazione muscolare, andature, morfologia) Fattori del progresso genetico r x i x σ g Progresso genetico annuo = --------------- N Intensità di selezione * Accuratezza * Variabilità genetica g = ---------------------------------------------------------------------- Intervallo generazionale r = dipende dal numero e qualità dei dati per animale, ma anche dall ereditabilità del carattere i = dipende dal rapporto tra numero di animali scelti sugli animali potenzialmente utilizzabili come riproduttori σ g = costante di breve-medio periodo N = dipende dalla specie e dalla sua efficienze riproduttiva, dalle tecniche di allevamento, dai metodi di valutazione dei riproduttori e dall uso di eventuali biotecnologie riproduttive per aumentare l efficienze riproduttiva 9
Intensità di Selezione (i) selezionati i = X X σ p X s X s = z P X X s Differenziale selettivo (S) Differenziale selettivo standardizzato o Intensità di selezione (i) 10
Accuratezza (r) L accuratezza della stima del valore genetico dipende in ultima analisi dal metodo di valutazione adottato; Performance test r = h 2 = h Progeny test r = f (nf, h 2 ) r = nf/( /(nf+k) con k = (4-h 2 )/h 2 11
Intervallo di generazione (N) 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 g 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 2 4 6 8 10 N (anni) 0.1% Sel 1% Sel 5% Sel 20% Sel 50% Sel 90% Sel Fonti della Selezione La differente efficienza riproduttiva porta a distinguere le popolazioni in sottopopolazioni, ciascuna con proprie intensità di selezione, accuratezza e Intervallo di generazione. 2 Sottopopolazioni Maschi e Femmine G M + G F g g = ---------------- N M + N F 12
Trend genetico 50 40 30 20 10 0-10 y = 3.62 x -7231.5-20 -30-40 -50 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 Indici di selezione per più caratteri I = b 1 C 1 +b 2 C 2 + +b n C n Dove: I = Indice di selezione complessivo B i = peso di ponderazione di ciascun carattere i C i = genotipo del singolo per ciascun carattere i La combinazione può essere fatta mediante: - Standardizzazione distribuzione ciascun carattere - Trasformazione di ciascun carattere in valore monetario Questo allo scopo di rendere omogenei i caratteri Attenzione: Se si applica la stessa pressione di selezione su n caratteri indipendenti, il G complessivo è una funzione di 1/ n 13
Importanza dell Indice di selezione globale Soggetto EBV Gaits Indice globale EBV Income EBV Gaits-ST EBV Income-ST EBV Comb. EBV INDEX 1-2.01 43.50-1.39 1.76 1.13 126.6 2-0.20 38.44-0.10 0.89 0.69 116.4 3-0.87 27.84-0.58-0.92-0.85 79.8 4 1.48 40.31 1.09 1.21 1.19 128.1 5 0.67 31.63 0.51-0.27-0.12 97.3 6 1.81 29.74 1.33-0.60-0.21 95.0 7-1.21 38.59-0.82 0.92 0.57 113.4 8-1.54 27.07-1.06-1.05-1.05 75.1 9 0.47 27.26 0.37-1.02-0.74 82.5 10-0.67 27.98-0.44-0.90-0.81 80.9 11 1.14 28.60 0.85-0.79-0.46 89.0 12 1.34 34.94 0.99 0.29 0.43 110.2 13-1.88 31.96-1.30-0.22-0.43 89.8 14-1.34 28.66-0.92-0.78-0.81 80.9 15 2.01 41.93 1.47 1.49 1.48 135.1 Media -0.0533 33.2300 0.0000 0.0000 0.0000 100.0 dev.st. 1.4061 5.8491 1.0000 1.0000 0.8459 20.0 14
Risposta correlata alla selezione La selezione diretta per un carattere determina sempre anche delle variazioni della media di altri caratteri non oggetto di selezione, ma correlati con il carattere selezionato G = r hh i g σ 2 2 2 G 2 = r g 1,2 x h 1 x σ2 g ) 1 1,2 x2 Trait 1 Risposta correlata Trait 2 Media Varianza Fenotip. Trait 1 0.25-0.35 7,000 1,000,000 2 Trait 2-0.35 0.50 6.5 3.1 2 r g 1,2 = -0.35 h 2 1 = 0.25 h 2 2 = 0.50 P = 38% i=1 σ X2 = 1.7607 ( 3.1) G 2 = -0.35 0.25 0.50 1 1.7607 = 0.22 15
Risposta correlata e correlazioni genetiche tra caratteri in selezione Selezione indiretta La selezione indiretta è un estensione della risposta correlata alla selezione, nel senso che il carattere oggetto di selezione è difficilmente misurabile o la sua misurazione ha costi molto alti, ragion per cui si selezione per un secondo carattere, favore- volmente correlato al primo. G = r hh i σ G 2 = r g 1,2 x h 2x σ2 g ) 2 1 2 1 g1,2 x2 16
Risposta alla selezione indiretta Trait 1 Trait 2 Trait 1 0.10 0.70 Trait 2 0.70 0.40 r g 1,2 = 0.70 h 2 1 = 0.10 h 2 2 = 0.40 P = 38% G 1 = 0.10 1 σx = 0.10σx G 2 = 0.70 0.10 0.40 1 σx = 0.14σx Ricapitolando: Valutazione genetica dei riproduttori Metodi Diretti: Per caratteri direttamente misurabili sul riproduttore (performance test) o sulla sua progenie (progeny test) Metodi Indiretti: Per caratteri non direttamente misurabili ma correlati ad altri di più facile accesso e misurazione 17