Popolazioni sperimentali in genetica delle piante per mappare loci

Popolazioni sperimentali in genetica
delle piante per mappare loci di interesse
Tipi di popolazioni sperimentali
•  F2 e BC1 (Backcross)
•  RIL (Recombinant Inbred Lines)
•  DH (Double Haploids)
•  IRIL (Intermated Recombinant Inbred Lines)
Altri materiali
•  NIL tramite reincrocio e tramite HIF
Derivate da genitori che siano linee pure, e che si autofecondano
Popolazioni BC1 ed F2
•  Popolazioni di tipo ‘classico’ derivate da incrocio tra due linee pure.
•  Utilizzabili per mappaggio di marcatori molecolari (per. es. nella
costruzione di mappe genetiche di linkage) e per il mappaggio di geni ad
effetto mendeliano.
•  Essendo basate su piante singole, sono popolazioni effimere (almeno
nelle specie annuali che non si propagano vegetativamente) e non
consentono l’analisi di fenotipi di tipo quantitativo (cioè fortemente
influenzati dall’ambiente) che richiedono prove replicate dello stesso
genotipo per avere una buona stima del valore fenotipico. Sono quindi
inadatte per l’analisi QTL.
•  A parità di numero di individui una pop F2 è circa due volte più informativa
di una BC1 in termini di precisione di mappa, essendo in gioco, nella
prima, il doppio di cromosomi segreganti.
vedi Cap. 3, pag 85-97, vol. I; e Cap. 20.4 pag. 966-974 vol III, Barcaccia e Falcinelli
Popolazioni BC1 ed F2
A
B
Figura 20.9
Segregazione indipendente di alleli marcatori
a due loci genomici nella F2 (A) e nel reincrocio (B).
Pag. 966, Vol III, Barcaccia e Falcinelli
RILs (Recombinant Inbred Lines: linee inbred ricombinanti)
Tipo di popolazione molto diffuso in genetica molecolare dei cereali
Richiede 5-6 cicli di autofecondazione dopo la produzione di una
popolazione F2 a partire da genitori omozigoti (linee pure).
La presenza di parziali regioni in eterozigosi nelle prime generazioni e
gli ulteriori eventi di ricombinazioni nei cicli di autofecondazione
consentono di aumentare il numero di meiosi informative e quindi la
risoluzione di mappa.
In F6 le piante sono praticamente omozigoti. Ciascuna pianta può
quindi essere utilizzata per produrre, tramite moltiplicazione, seme di
una linea che può essere riprodotta in maniera indefinita (= la
popolazione è immortalizzata), e consente di effettuare prove
replicate nello spazio (localita’ diverse) e nel tempo (annate
successive).
RILs (Recombinant Inbred Lines
= linee inbred ricombinanti)
Figura 20.10A
Schema per l’ottenimento di linee
inbred ricombinanti (RIL),
modificato da Burr et al., 1988 (A).
Pag 967, Vol III, Barcaccia e Falcinelli
DH (Doubled Haploids = aploidi raddoppiati)
Come si ottengono: a partire da gameti aploidi di piante F1 si producono
tramite colture in vitro le piante aploidi (salto di generazione ma non di fase),
e successivamente se ne raddoppia il genoma.
Si utilizzano varie tecniche, le più diffuse sono: coltura di antere o di polline
(androgenesi), coltura di ovuli (ginogenesi), incrocio interspecifico.
Antere, pollini, o gli ovuli, sono coltivati in vitro per produrre piante aploidi
Le piantine aploidi sono trattate con colchicina (inibitore del fuso mitotico),
che induce il raddoppiamento del numero cromosomico.
La produzione di DH consente di raggiungere velocemente lo stadio di
omozigosi a tutti i loci. Si velocizza così la produzione di linee pure, utili
direttamente nel miglioramento genetico.
Consentono di raggiungere velocemente lo stadio di linee ricombinanti
omozigoti che possono essere utilizzate per il mappaggio di geni e di QTL.
DH (Doubled Haploids = aploidi raddoppiati)
Figura 16.25
Rappresentazione schematica della
coltura di antere per l’ottenimento di
piante omozigoti.
Pag 763, Vol III Barcaccia e Falcinelli
Figura 20.10B
Schema per l’ottenimento di linee DH
Pag 967, Vol III, Barcaccia e Falcinelli
IRIL: Intermated Recombinant Inbred Lines (RIL interincrociate)
Tipo di popolazione simile alle RIL, ma prodotto con ulteriori cicli di
incroci casuali (interincroci) dopo la generazione F2 e prima dei cicli
di autofecondazione.
Gli ulteriori cicli di interincrocio mantengono elevato il livello di
eterozigosi e aumentano il numero di meiosi informative che
quindi consentono una maggiore risoluzione di mappa.
Utilizzata in mais, dove ha consentito di produrre popolazioni che
uniscono i vantaggi delle RIL (omozigosi) con una elevata
informatività di mappa. Esempio è la popolazione IBM (intermated
B73 x Mo17) ottenuta a partire dall’incrocio tra le linee pure B73 ed
Mo17, produzione della popolazione F2 ed ulteriori 4 cicli di incrocio
casuale.
RILs vs. IRILs
RILs
IRILs
Notare il maggior numero di eventi di crossing-over
presenti nelle linee IRIL rispetto alle RIL
Mod. da Cavanagh et al. Current Opinion in Plant Biology 2008, 11:215–221
IRIL: Intermated Recombinant
Inbred Lines
Esempio: popolazione IBM
(Intermated B73 x Mo17)
IRIL: Intermated Recombinant Inbred Lines
B73 x Mo17, Chrom. 2
F2
IRIL4
Esempio di espansione della mappa genetica di mais (nell’esempio il
cromosoma 2) quando calcolata su una popolazione F2 (a sinistra) o su una
popolazione IRIL4 (4 cicli di interincrocio). Da Lee et al., 2002, Plant Mol Biol
Analisi QTL: popolazioni da incroci sperimentali
Da Alonso-Blanco C and Koornneef M (2000) TPS
NILs = Nearly Isogenic Lines: linee quasi isogeniche
Definizione generica che identifica due o più materiali a
genotipo identico a tutti i loci ad eccezione di una regione, più o
meno limitata e demarcta da marcatori genetici, alla quale
presentano alleli diversi.
Le NILs sono prodotte in maniera specifica a regioni cromosomiche
d’interesse. Coppie di NILs consentono di valutare con precisione
l’effetto, su un carattere fenotipico, della sostituzione di un allele
con un altro. Sono spesso utilizzate quindi per valutare e/o
confermare l’effetto di un QTL su un carattere d’interesse.
La produzione di NILs richiede diversi cicli di reincrocio assistito
con marcatori, a partire dall’incrocio tra due linee pure (ricorrente e
donatore) che portano i due alleli alternativi (es. AA e aa).
Ad ogni reincrocio, le piante vengono saggiate per la presenza
dell’allele di interesse al locus target e, in tale ambito, si scelgono le
linee con la maggiore % di genoma del genitore ricorrente.
Infine si applicano 1-2 cicli di autofecondazione per fissare in
omozigosi le NILs con gli alleli alternativi (AA e aa).
NILs per Vegetative to generative transition 1 (Vgt1)
Gaspé Flint
N28E
Salvi et al., 2007. Proc. Nat. Acad. Sci. 104: 11376
N28
N28E
N28