Trasmissione del materiale ereditario Confronto tra mitosi e meiosi: La mitosi consiste in una duplicazione dei cromosomi seguita da una regolare separazione Ciascun cromosoma si comporta indipendentemente da tutti gli altri Coppia di cromosomi omologhi Cellula diploide (2n=4) Coppia di cromosomi omologhi Duplicazione DNA La meiosi ciascun cromosoma di una serie (paterna o materna) si accoppia con il suo omologo dell altra serie a 1 divisione cellulare a Mitosi: 2 cellule figlie con identico materiale genetico della cellula madre Meiosi: 4 cellule figlie non identiche alla cellula madre e alle sorelle Cellule figlie diploidi identiche alla cellula madre e tra loro Cellule figlie aploidi non identiche né alla cellula madre nè tra loro 2 divisione cellulare 4 cellule aploidi figlie (gameti)
Fasi della Profase della Meiosi I (dove avviene in crossing-over)
La dimostrazione dell esistenza dei geni fu fornita dal fenomeno della segregazione dei caratteri che si osserva nelle discendenze di ibridi tra individui che differiscono tra loro per qualche carattere facilmente individuabile Questa dimostrazione fu fornita da Mendel nel 1866 Gregorio Mendel (1822-1884)
Mendel Un monaco che fu inviato dal suo ordine a studiare scienze naturali all Università di Vienna Nel 1847 incominciò a raccogliere varietà di pisello in commercio e a studiarne le differenze e il comportamento negli ibridi Dopo 8 anni di lavoro (1865) presentò i primi risultati della sua sperimentazione insieme con le conclusioni generali (pubblicati nel 1866) Gregorio Mendel (1822-1884)
Mendel Mendel morì nel 1888 molto tempo prima che il suo lavoro scientifico venisse riconosciuto Il significato del suo lavoro fu ignorato fino al 1900, anno in cui vennero riscoperti i principi della segregazione simultaneamente da 3 ricercatori che ottennero gli stessi risultati di Mendel (De Vriers-Olanda, Correns-Germania, Tschermack-Austria) I principi di Mendel sulla segregazione degli ibridi furono di importanza fondamentale nello studio della genetica Gregorio Mendel (1822-1888)
Forma seme Colore seme Colore fiore Posizione fiore Forma baccello Colore baccello Lunghezza stelo liscio giallo violaceo ascellare liscio verde lungo 1 forma FENOTIPICA carattere (dominante) rugoso verde bianco terminale strozzato giallo corto 2 forma FENOTIPICA carattere (recessiva)
Mendel Incrociò fra di loro 2 linee (linee parentali o P) antagoniste per ogni carattere Le linee erano scelte dopo aver accertato che esse davano origine a discendenze rigorosamente omogenee per il carattere preso in esame, quando lasciate autofecondare (LINEE PURE) Gregorio Mendel (1822-1888)
Mendel Ricezione del polline sullo stigma Autofecondazione Antere (gameti maschili) Caratteristiche del fiore di pisello Ovuli (gameti femminili) AUTOFECONDAZIONE
1) Rimozione delle antere da una pianta di un parentale (P 1 ) 2) Raccolta del polline proveniente dalla pianta dall altro parentale (P 2 ) 3)Trasferimento del polline sullo stigma della pianta (P 1 ) da cui sono state asportate le antere Realizzazione dell incrocio tra le linee parentali (P)
Incrocio tra linee (linee parentali o P) antagoniste per il carattere colore del fiore (fiori bianchi-fiori violacei) Maturazione dei semi ottenuti dall incrocio Semina Ottenimento di piante appartenenti alla prima generazione filiale o F1 costituita da individui TUTTI FENOTIPICAMENTE UGUALI per il carattere esaminato (tutti fiori violacei) e somiglianti ad uno solo dei due genitori (l altro non visibile)
Tutti gli individui (piante) F1 furono lasciate AUTOFECONDARE si produsse così il seme della seconda generazione filiale o F2 Gli individui della F2 non si presentarono più tutti uguali tra loro per il carattere preso in considerazione (come in F1), ma i fenotipi erano, in media, per il 75% somiglianti ad uno dei parentali e per il 25% somiglianti all altro parentale In F2 il rapporto tra fenotipi era di 3:1 (3 fiori violacei e 1 bianco)
Il carattere che si manifestava in F1 era capace di mascherare l altro che riappariva solo in F2; il primo dominava quindi, in qualche modo, sul secondo per cui il primo veniva detto dominante ed il secondo recessivo I PRINCIPIO DI MENDEL O PRINCIPIO DELLA DOMINANZA
Ogni pianta F2 venne a sua volta autofecondata e nella generazione successiva, detta terza generazione filiale o F3, si ottennero i seguenti risultati: Piante a fiori bianchi Recessivo (F2: 25%) Piante a fiori violacei Dominante (F2: 75%) Piante a fiori bianchi (100%) Recessivo Linea pura 1/3 (25%F2) Piante a fiori violacei Linea pura 2/3 (75%F2) Piante a fiori violacei e bianchi con rapporto 3:1 (come F1) La generazione F2 era composta dal: 25% di individui puri ed uguali ad uno dei due genitori (fiori bianchi), 25% di individui puri ed uguali all altro genitore (fiori violacei) 50% di individui (fiori violacei) che segregavano dopo autofecondazione
I risultati dei primi esperimenti di Mendel; dominanza, recessività e segregazione in F2 Carattere Materiali F2 osservati (piante/semi) Dominante Carattere Recessivo Rapporto tra dominanti e recessivi Colore dei fiori 929 705 violacei 224 bianchi 3.15/1 Forma del baccello 1.181 882 lisci 299 strozzati 2.95/1 Colore del baccello 580 428 verdi 152 gialli 2.82/1 Posizione dei fiori 858 651 ascellari 207 terminali 3.14/1 Lunghezza dello stelo 1.064 787 alte 277 nane 2.84/1 Forma del seme 7.324 5.474 lisci 1.850 rugosi 2.96/1 Colore dei cotiledoni 8.023 6.022 gialli 2.001 verdi 3.01/1 Media 2.98/1 Espressione fenotipica dei caratteri
L inalterabilità dei caratteri, che attraversando incontaminati la F1 riemergono in F2 in condizione identica a quella dei genitori, convinse Mendel che i caratteri avessero una base fisica costituita da unità, chiamate poi geni, che potevano assumere due forme alternative o forme alleliche responsabili del modo di manifestarsi alternativo di un dato carattere Allele per il colore viola del fiore (A) Per indicare un gene si usa: una lettera maiuscola per l allele dominante (A) ed una lettera minuscola per quello recessivo (a) Locus per il gene della colorazione del fiore Allele per il colore bianco del fiore (a) Coppia di cromosomi omologhi I risultati di Mendel si spiegano ammettendo che i gameti posseggano ciascuno, per un determinato carattere, soltanto un allele mentre le cellule somatiche che derivano tutte dallo zigote, ottenuto dalla fusione di 2 cellule gametiche, li possegga entrambi
Costituzione genotipica dei caratteri Gli individui che portano nelle cellule somatiche 2 elementi della stessa forma allelica (AA o aa) di un particolare gene si dicono OMOZIGOTI Allele A Allele a Locus per il gene Locus per il gene AA aa Allele A Allele a Quelli che portano invece tutte e due le forme alleliche (Aa) del gene si dicono ETEROZIGOTI Allele A Fenotipo Locus per il gene Allele a Aa Genotipo
Nelle cellule somatiche degli individui adulti (2n) i due alleli capaci di agire sullo stesso carattere sono entrambi presenti, mentre i loro gameti (n) ne portano uno solo Parentale diploide Ss Interfase Ss I due alleli presenti nelle cellule somatiche dell individuo adulto debbono necessariamente SEGREGARE o SEPARARSI prima di entrare a far parte del gamete S Meiosi I Segregazione degli alleli Meiosi II S S s s Gameti s L allele presente in un gamete non è influenzato da quello che gli è stato compagno nell adulto
La generazione parentale costituita da linee pure antagoniste per un dato carattere, si caratterizzano per la capacità di dare origine a discendenze rigorosamente omogenee per il carattere preso in esame, quando lasciate autofecondare Generazione Parentale Generazione F1 Gameti Pertanto indicando con S l allele dominante di quel carattere e con s l allele recessivo, le condizioni somatiche dei parentali utilizzati da Mendel non potevano che essere SS e ss Solo in questo caso l individuo produce solo un tipo di gameti e dà pertanto un solo tipo di progenie; sono individui OMOZIGOTI
Gli ibridi F1 originati dall incrocio fra due linee pure (SS e ss) diverse per la manifestazione di un carattere, debbono possedere entrambi gli alleli dello stesso gene, ciascuno dei quali viene fornito da uno dei due genitori (Ss) Generazione Parentale Generazione F1 Gameti Gameti Gli ibridi F1 ricevono un cromosoma materno con S e l omologo paterno con s ; tutte le cellule somatiche dell ibrido saranno Ss quindi ETEROZIGOTE Mendel affermò che l uno o l altro di questi due alleli entra nei gameti prodotti dall ibrido: ciò costituisce l essenza del PRINCIPIO DELLA SEGREGAZIONE O II PRINCIPIO DI MENDEL
Generazione Parentale Gameti Dalla gametogenesi dell F1 (eterozigote) si avranno durante la meiosi la formazione del 50% di gameti S e del 50% di gameti s Generazione F1 Generazione F2 Gameti Gameti (spermi) 1/4 1/4 Auto fecondazione La segregazione dell ibrido F1 porterà alla generazione F2 così composta: Rapporto fenotipico: 3:1 Rapporto genotipico: 1:2:1 Gameti (uova) 1/4 1/4
AA Gameti :tutti A Generazione parentale aa Gameti :tutti a F1 Tutti : Aa Autofecondazione Aa Aa Gameti : 1/2 A Gameti : 1/2 A 1/2 a 1/2 a (1/2) A (1/2) a (1/2) A (1/4) AA (1/4) Aa (1/2) a (1/4) Aa (1/4) aa F2 (1/4) AA (1/2) Aa (1/4) aa
Affinché tali risultati si verifichino devono essere soddisfatte 2 condizioni essenziali: a) i membri della coppia di alleli, A e a, siano ciascuno presenti nel 50% dei gameti prodotti in F1 b) l unione dei gameti alla fecondazione avvenga a caso La segregazione porta in F2 alla separazione della discendenza in 2 gruppi di individui fenotipicamente distinti: uno costituito dal 75% degli individui di cui il 50% eterozigote Aa ed il 25% omozigote dominante AA l altro costituito dal 25% di individui omozigoti recessivi aa La segregazione porta in F2 alla separazione della discendenza in 3 gruppi di individui geneticamente distinti che si trovano in un rapporto di 1:2:1
Come si possono distinguere gli individui in F2 OMOZIGOTI DOMINANTI (AA) da quelli ETEROZIGOTI (Aa) visto che presentano una uguale espressione fenotipica del carattere
Tecnica del REINCROCIO X Fenotipo dominante, sconosciuto il genotipo: PP o Pp??? Fenotipo recessivo, conosciuto il genotipo: pp Se il genotipo è omozigote dominante PP Se il genotipo è eterozigote Pp 100% di individui eterozigoti (fiori viola) 50% di individui eterozigoti (fiori viola) 50% di individui omozigoti recessivi (fiori bianchi)
Tecnica dell AUTOFECONDAZIONE Fenotipo dominante, sconosciuto il genotipo: PP o Pp??? Se il genotipo è omozigote dominante PP Autofecondazione Se il genotipo è eterozigote Pp 100% di individui omozigoti dominanti (fiori viola) Segregazione con rapporto 3:1 Il Reincrocio presenta comunque il vantaggio di indicare subito e chiaramente i tipi di gameti formati dagli eterozigoti ed il loro rapporto
a a A? a a a a A Aa Aa A Aa Aa A Aa Aa a aa aa
È necessario precisare che in molti casi non si ha dominanza di un allele sull altro P F1
È necessario precisare che in molti casi non si ha dominanza di un allele sull altro Dominanza incompleta P F1 Reincrocio Il fenotipo determinato dalla condizione eterozigote (colore rosa) non può essere fissato nel tempo Non è corretto usare lettere maiuscole e minuscole per indicare i 2 alleli del gene; è preferibile usare la stessa lettera con o senza F2
Trasmissione del materiale ereditario Le basi cromosomiche della segregazione indipendente Mendel non conosceva la relazione tra cromosomi e geni I geni sono ubicati nei cromosomi e il loro comportamento durante la meiosi è ormai noto Le 2 coppie alleliche considerate (Aa e Bb) hanno il loro locus in 2 diverse coppie di cromosomi omologhi A a B b
Trasmissione del materiale ereditario Le basi cromosomiche della segregazione indipendente P1 X A A B B a a b b P2 Gameti A B a b Gameti F1 A a B b =
Trasmissione del materiale ereditario Le basi cromosomiche della segregazione indipendente
Trasmissione del materiale ereditario Le basi cromosomiche della segregazione indipendente 4 Gameti prodotti in proporzioni uguali
Trasmissione del materiale ereditario Le basi cromosomiche della segregazione indipendente 4 Gameti prodotti in proporzioni uguali F1 A B a b A b a B
Trasmissione del materiale ereditario Le basi cromosomiche della segregazione indipendente A B a b A b a B Gameti parentali Gameti ricombinanti La disposizione casuale dei cromosomi paterni e materni alla metafase I è alla base della segregazione indipendente È il meccanismo che permette la ricombinazione dei geni ubicati su coppie diverse di cromosomi omologhi (50% gameti parentale e 50% ricombinanti)
La segregazione indipendente Mendel si occupò di esaminare non soltanto 1 coppia allelica, realizzò anche degli incroci tra due linee pure che differivano per 2 coppie alleliche, ossia per 2 caratteri Colore del baccello verde (GG) e colore del seme giallo (YY) GGYY Gameti: GY Colore del baccello giallo (gg) e colore del seme verde (yy) ggyy Gameti: gy F1 Colore del baccello verde (Gg) e colore del seme giallo (Yy) GgYy Gameti: GgYy AUTOFECONDAZIONE
La segregazione indipendente Esperienze di Mendel Il risultato ottenuto da Mendel in F2 si può spiegare solo pensando che l ibrido F1 (GgYy) formi 4 tipi di gameti in uguali proporzioni (25%)
GgYY Le combinazioni a caso di questi 4 tipi di gameti forniscono 16 combinazioni genotipiche che spiegano il rapporto fenotipico 9:3:3:1
La fecondazione del DIIBRIDO (GgYy) dette in F2 il seguente risultato: GgYY 9 Baccelli verdi : Semi gialli (GGYY, GGYy, GgYy, GgYY) 3 Baccelli verdi : Semi verdi (GGyy, Ggyy) 3 Baccelli gialli : semi gialli (ggyy, ggyy) 1 Baccelli gialli : semi verdi (ggyy)
La segregazione indipendente Esperienze di Mendel GgYY Rapporto fenotipico diibrido = 9:3:3:1 Rapporto baccelli verdi : baccelli gialli = 3:1 (12:4)
La segregazione indipendente Esperienze di Mendel GgYY Rapporto fenotipico diibrido = 9:3:3:1 Rapporto baccelli verdi : baccelli gialli = 3:1 (12:4) Rapporto semi gialli : semi verdi = 3:1 (12:4)
La segregazione indipendente Esperienze di Mendel Il rapporto 9:3:3:1 del diibrido indica una segregazione per ciascun carattere e segregazione indipendente per caratteri differenti 3/4 Baccelli verdi 1/4 Baccelli gialli 3/4 Semi gialli 1/4 Semi verdi 3/4 Semi gialli 1/4 Semi verdi 9/16 Bacc. Verdi Semi gialli 3/16 Bacc. Verdi Semi verdi 3/16 Bacc. Gialli Semi gialli 1/16 Bacc. gialli Semi verdi 9 3 3 1
La segregazione indipendente Esperienze di Mendel GgYY I 9/16 dei fenotipi manifestano entrambi i dominanti (GY) I due gruppi di 3/16 dei fenotipi manifestano un dominante e un recessivo (Gy, gy) L 1/16 dei fenotipi manifestano entrambi i recessivi (gy)
La segregazione indipendente Esperienze di Mendel La formazione di 4 tipi di gameti in proporzioni uguali da parte del diibrido costituisce l essenza del III PRINCIPIO DI MENDEL O PRINCIPIO DELLA SEGREGAZIONE INDIPENDENTE II Principio di Mendel o Principio della segregazione vuole che nel 50% dei gameti vada A (G) e nell altro 50% a (g) IIl Principio di Mendel o Principio della segregazione indipendente A (G) ha la stessa probabilità di trovarsi insieme a B (Y) o, quindi il 50% dei gameti contiene AB (GY) e l altro 50% Ab (Gy); lo stesso vale per a (g) A a B b A B A b a B a b
La segregazione indipendente Di tutte e 16 le combinazioni: 2 Linee omozigoti parentali: GGYY (Baccello verde - Seme giallo) ggyy (Baccello giallo - Seme verde) Esperienze di Mendel 2 fenotipi di individui omozigoti costituiscono 2 linee pure derivanti da nuove combinazioni dei 2 caratteri: GGyy (Baccello verde Seme verde) ggyy (Baccello giallo - Seme giallo) GgYY 2 dei 4 gameti prodotti dall ibrido sono identici a quelli podotti dai parentali (GY, gy) detti gameti parentali, mentre gli altri due portano alleli in combinazioni nuove (gl, Gl) detti gameti ricombinanti
La segregazione indipendente I genotipi possibili sono: Esperienze di Mendel Genotipi parentali: GGYY ggyy Genotipi ricombinanti omozigoti: GGyy ggyy GgYY Genotipi ricombinanti eterozigoti: GGYy GgYY GgYy Ggyy ggyy
AB AB Ab ab ab AABB AABb AaBB AaBb Ab ab ab AABb AAbb AaBb AaBb AaBB AaBb aabb aabb AaBb Aabb aabb aabb
Qualche altro esempio: Stesso risultato si otterrebbero se l incrocio tra le linee parentali fosse: Parentali AAbb x aabb F1 AaBb Omozigote x Omozigote Eterozigote x Eterozigote
Poliibridi: Risultati attesi in ibridi differenti per n coppie alleliche N coppie alleliche Tipi di gameti possibili in F1 Genotipi possibili in F2 Fenotipi possibili in F2 N minimo di individui necessario per avere in teoria tutti i genotipi F2 Rapporti tra i fenotipi in F2 N di omozigoti in F2 con combinazioni nuove 1 2 3 2 4 3:1-2 4 9 4 16 9:3:3:1 2 3 8 27 8 64 27:9:9:9:3:3:3:1 6 n *2 n 3 n 2 n (2 n ) 2 = 4 n **(3+1) n 2 n - 2 *dà anche il n dei differenti genotipi, omozigoti a tutti i loci, ottenibili in F2 e nelle generazioni successive **il binomio (3+1) n va sviluppato così: n=1 (3+1) 1 = 3:1 n=2 (3+1) 2 = (3+1) (3+1) = 9:3:3:1 n=3 (3+1) 3 = (3+1) (3+1)(3+1) = 27:9:9:9:3:3:3:1
Triibrido Parentali F1 n gameti possibili in F1 2 n = 8 (12,5%)
n genotipi possibili in F2 3 n = 27 Esperienze di Mendel F2 Triibrido n fenotipi possibili in F2 2 n = 27 n minimo di individui necessari per avere tutti i genotipi in F2 (2 n ) 2 = 4 n =64 Rapporti tra i fenotipi in F2 (3+1) n 27 : 9 : 9 : 9 : 3 : 3 : 3 : 1 n di omozigoti in F2 con combinazioni nuove 2 n - 2 = 6
Autofecondazione e Omozigosi Esperienze di Mendel La riduzione dell eterozigosi per effetto dell autofecondazione da una generazione segregante alla successiva è un aspetto di particolare importanza ai fini delle applicazioni nei programmi di miglioramento genetico Pianta F1 (Aa) autofecondata = F2 autofecondata = F3 F1 (Aa) Piante a fiori bianchi Recessivo - aa (F2: 25%) Piante a fiori violacei AA - Dominante - Aa (F2: 75%) Piante a fiori bianchi (100%) Recessivo Linea pura aa 1/3 (25%F2) Piante a fiori violacei Linea pura AA AA 2/3 (75%F2) Piante a fiori violacei e bianchi con rapporto 3:1 (come F1) aa Aa
Autofecondazione e Omozigosi Esperienze di Mendel Riduzione dell eterozigosi a un locus in successive generazioni di autofecondazione Generazione Individui Omozigoti Dominanti % Individui Eterozigoti % Individui Omozigoti Recessivi % Individui Omozigoti % F1 0,00 F2 50,00 F3 75,00 F4 87,50 F5 93,75
Autofecondazione e Omozigosi Esperienze di Mendel La riduzione dell eterozigosi per effetto dell autofecondazione da una generazione segregante alla successiva è un aspetto di particolare importanza ai fini delle applicazioni nei programmi di miglioramento genetico Nelle popolazioni ibride di piante autogame l eterozigosi diminuisce nelle generazioni successive, mentre la frazione di omozigosi agli n loci inizialmente ibridi aumenta in accordo con la seguente espressione: X = ( 2 m -1 2 m ) n x = percentuale di omozigoti in tutti i loci m = numero di generazioni segreganti (F2 =1; F3 = 2; ) n = numero di coppie alleliche in condizione eterozigote nell ibrido iniziale
Autofecondazione e Omozigosi Esperienze di Mendel Per un MONOIBRIDO in F3 la frazione degli omozigoti sarà pari a: X = ( 2 m -1 2 m ) n x = percentuale di omozigoti in tutti i loci m = numero di generazioni segreganti (F2 =1; F3 = 2; ) n = numero di coppie alleliche (1) in condizione eterozigote nell ibrido iniziale ( 2 2-1 ) 1 ( 3 ) 1 X = = = 75% 2 2 Infatti se un ibrido F1 Aa viene autofecondato in F2 si ottengono: 4 F1 100% Aa F2 25% AA 25% aa F3 25% AA 25% aa 37,5 % AA 37,5 % aa 50% Aa 25% Aa + 12,5% AA + 12,5% aa 25% Aa
Autofecondazione e Omozigosi Esperienze di Mendel Per un DIIBRIDO in F2 la frazione degli omozigoti sarà pari a: X = ( 2 m -1 2 m ) n x = percentuale di omozigoti in tutti i loci m = numero di generazioni segreganti (F2 =1; F3 = 2; ) n = numero di coppie alleliche (2) in condizione eterozigote nell ibrido iniziale X = ( 2 1-1 ) 2 ( 1 ) = 2 1 2 2 = 25% Infatti se un diibrido F1 AaBb viene autofecondato in F2 si ottengono: F1 F2 100% AaBb 1/16 AABB 1/16 AAbb 1/16 aabb 1/16 aabb 4/16 1/4 25%
Autofecondazione e Omozigosi Anche per un diibrido dopo un numero molto elevato di generazioni di autofecondazione si si ha ha una una popolazione costituita esclusivamente dai dai 4 tipi 4 di tipi di omozigoti che che il il potenziale genetico consente di di ottenere Il numero di genotipi omozigoti presenti nella popolazione è pari al numero dei tipi di gameti prodotti dagli individui F1 (2 nel monoibrido, 4 nel diibrido, 8 nel triibrido, 2 n, ecc.)
Autofecondazione e Omozigosi Esperienze di Mendel La percentuale di individui omozigoti a tutti i loci dopo 2, 5, 8 generazioni di autofecondazione varia con la complessità dell ibrido iniziale, infatti: Numero di loci inizialmente etrozigoti Numero di generazioni segreganti 2 (F3) 5 (F6) 8 (F9) 5 23,7 85,3 98,1 10 5,6 72,9 96,2 20 0,3 53,0 92,5 40 0,001 28,1 85,5 Una popolazione ottenuta con ripetute autofecondazioni di un ibrido anche molto complesso è costituita già in F9 - F10 prevalentemente da omozigoti
Autofecondazione e Omozigosi Esperienze di Mendel L autofecondazione continuata di un polibrido fa ottenere una popolazione costituita dopo un certo numero di generazioni quasi esclusivamente da omozigoti
Autofecondazione e Omozigosi Esperienze di Mendel Nelle specie autogame che si autofecodano spontaneamente da un numero illimitato di generazioni le popolazioni naturali sono costituite prevalentemente da omozigoti Un seme di frumento preso a caso da una varietà è omozigote a tutti i loci a meno che non si verifichino incroci occasionali o mutazioni spontanee che si oppongono al raggiungimento di tale condizione