2/10/2011 Corso di Giandomenico Corrado Dipartimento di Scienze del Suolo, della Pianta e dell’Ambiente : [email protected] : 081.25.39446 Concetti chiave della terza lezione La ploidia nelle piante superiori Autopoliploidi e allopoliploidi Mutazioni genomiche g Aneuplodi Significato dei mutanti genomici per la genetica vegetale Conoscenze di base richieste: Il ciclo vitale degli organismi come alternanza di livelli di ploidia Le divisioni mitotiche e meiotiche Testo consigliato: Barcaccia‐Falcinelli, Genetica e Genomica, Vol I, Liguori 1 2/10/2011 SISTEMI RIPRODUTTIVI Autogamia ed allogamia sono diffuse in tutti i gruppi di Angiosperme Cereali AUTOGAME ALLOGAME Frumento , orzo, avena, Mais, segale riso Leguminose da granella Fava, cece, f agiolo, soia Leguminose da foraggio Specie arboree Altr e - Festuca Erba medica, tr ifoglio Albicocco, pesco, Melo, pero, ciliegio, agrumi olivo, susino Pomodoro, melanzana, Cipolla, carota, carciofo, peperone, lat tuga asparago, cavolo, carota, fragola, girasole, spinacio 2 2/10/2011 Percentuale di allogamia ed agenti impollinatori SPECIE ALLOGAMIA, % IMPOLLINAZIONE Frumento 1-4 V Orzo 0.15 V Mais 95 V Riso 10 V S Segale 50 0 V Fagiolo 1-80 I Pisello 5-30 I Erba medica 60-80 I Trifoglio 100 I Cipolla 90 I Cavolo 90-100 I Pomodoro 2-5 I Lattuga 1-6 I Patata 10 I Melone 70 I Zucca 70 I Asparago 100 I Girasole 15-60 I 10 I Pesco Ciliegio 100 I Castagno 100 V V = vento (impollinazione anemofila) I = insetti (impollinaziome antomofila) Richiami di genetica 9Cenni sulla meiosi 9La genetica mendeliana M Meccanismi di trasmissione dei caratteri i i di i i d i i dei dei polibridi polibridi nei nei poliplodi poliplodi extranucleare 3 2/10/2011 La Meiosi I MEIOSI I ⇒ La prima divisione meiotica è una divisione riduzionale che porta alla riduzione del numero di cromosomi da diploide (2n) ad aploide (n) Profase I Metafase I Anafase I Telofase I INTERFASE II La Meiosi II MEIOSI II ⇒ La seconda divisione porta invece alla separazione dei cromatidi fratelli (divisione equazionale) La seconda divisione meotica è molto simile alla mitosi INTERFASE II PROFASE II METAFASE II ANAFASE II TELOFASE II CITOCINESI 4 2/10/2011 ASPETTI SALIENTI DELLA MEIOSI 9 Dimezzamento del corredo cromosomico Di t d l d i 9 Riassortimento dei cromosomi materni e paterni 9 Ristrutturazione dei cromosomi (crossing over) Gli esperimenti di Mendel Mendel condusse degli esperimenti con piante di Pisum sativum nel tentativo di chiarire i meccanismi dell’ereditarietà dei caratteri Mendel utilizzò il modello di studio più semplice, analizzando un solo carattere alla volta per provare la sua ipotesi CARATTERE CARATTERE 1. Forma del seme 2. Colore del seme 3. Colore del fiore Liscio Giallo Rugoso Verde Porpora 6. Posizione dei fiori Assiale Terminale Normale Nano Bianco 4. Forma del bacello Pieno Irregolare 5. Colore del Bacello Verde Giallo 7. Lunghezza dello stelo 5 2/10/2011 Gli esperimenti di Mendel Mendel scelse le piante di pisello perchè si riproducono per autofecondazione Il polline (gamete maschile), prodotto dagli stami si posa sul pistillo all’interno dello stesso fiore e feconda l’ovocellula (gamete femminile) E’ possibile impedire l’autofecondazione per asportazione degli stami prima che il polline maturi possono essere fecondati con il I ggameti femminili dell’ovario di un fiore emasculato p polline prodotto da stami di un altro fiore spargendo il polline sullo stigma del pistillo Gli esperimenti di Mendel relativi ad un singolo carattere (superficie seme) Fenotipo dominante Fenotipo recessivo X GENERAZIONE P (linea pura) Seme liscio Seme Rugoso Seme Rugoso GENERAZIONE F1 Fenotipo dei parentali Seme liscio x rugoso F1 Liscio è dominante su Rugoso Seme liscio 100% liscio Seme giallo x verde erde 100% giallo Fiore porpora x bianco 100% porpora Fiore assiale x terminale 100% assiale Baccello verde x giallo 100% verde Baccello pieno x irregolare 100% pieno Fiori assiali x terminali 100% assiale Stelo normale x nano 100% normale Anche i reciproci davano gli stessi risultati 6 2/10/2011 Alcuni concetti relativi alla prima legge di Mendel Fenotipo: manifestazione osservabile di un carattere (risultato dell’interazione tra il genotipo e l’ambiente) (seme liscio, o rugoso) Incrocio : unione di gameti prodotti da individui di sessi diversi Autoincrocio : unione di gameti “maschile” e “femminile” prodotti dallo stesso individuo Zigote: cellula che si origina dalla fecondazione di un gamete maschile con un gamete femminile Seme liscio: fenotipo dominante; seme rugoso: fenotipo recesssivo li i f i d i f i i CARATTERE DOMINANTE RECESSIVO CARATTERE DOMINANTE RECESSIVO 1. Forma del seme Liscio Rugoso 2. Colore del seme Co o e de se e Giallo Verde 6. Posizione dei fiori 3. Colore del fiore Porpora Assiale Terminale Normale Nano Bianco 4. Forma del bacello Pieno Irregolare 7. Lunghezza dello stelo 5. Colore del Bacello Verde Giallo 7 2/10/2011 Interpretazione genetica degli esperimenti di Mendel GENERAZIONE P (linea pura) aa AA Seme liscio A Seme Rugoso Meiosi a gamete gamete GENERAZIONE F1 Aa Seme liscio Seme liscio Gli ibridi F1 derivanti dall’incrocio di due omozigoti, differenti per una coppia di alleli, sono tutti uniformi, manifestano uno dei due fenotipi. Tale fenotipo di definisce DOMINANTE rispetto all’altro, il recessivo Il linguaggio della genetica Genotipo: composizione allelica di un individuo (AA; Aa; aa) Gene: determinante di una caratteristica di un organismo/individuo Gene: determinante di una caratteristica di un organismo/individuo Allele : due o più forme alternative di un gene (A/a) Omozigote: individuo diploide che possiede ambedue gli alleli di uno specifico gene dello stesso tipo (AA) Eterozigote: individuo diploide che possiede due alleli di uno specifico gene di tipo diverso (Aa) 8 2/10/2011 Gli ibridi F1 (eterozigoti) autofecondandosi danno origine a piante F2 con due diversi fenotipi I fenotipi sono quelli dei Parentali (no mescolanza dei caratteri in F1), in conseguenza della segregazione dei fattori (oggi sappiamo che sono alleli di un gene) dell’uno e dell’altro genitore Fenotipo dominante Fenotipo dominante GENERAZIONE F1 Seme liscio Seme liscio GENERAZIONE F2 3/4 1/4 La frequenza numerica delle classi (Fenotipo Dominante rispetto al Fenotipo Recessivo) è fissa, indipendente dal carattere analizzato Fenotipo dei parentali F1 F2 Rapporto di segregazione in F2 Seme liscio x rugoso 100% liscio 5474 : 1850 2.96 : 1 Seme giallo x verde 100% giallo 6022 : 2001 3.1 : 1 Fiore porpora x bianco 100% porpora 705 : 224 3.15 : 1 Fiore assiale x terminale 100% assiale 651 : 207 3:14 : 1 Baccello verde x giallo 100% verde 428 : 152 2.82 : 1 Baccello pieno x irregolare 100% pieno 882 : 299 2.95 : 1 Fiori assiali x terminali 100% assiale 651 : 207 3.14 : 1 Stelo lungo x corto 100% lungo 787 : 277 2.84: 1 9 2/10/2011 Interpretazione genetica degli esperimenti di Mendel La trasmissione dei caratteri nelle generazioni è (in generale) affidata ad generale) affidata ad eventi casuali GENERAZIONE P aa AA S Seme liliscio i GENERAZIONE F1 S Seme R Rugoso A a Meiosi gamete gamete Aa GENERAZIONE F2 Seme liscio Gameti femminili 1/2 A Gameti maschili 1/2 A AA 1/2 a Aa Quadrato di Punnet 1/2 a Aa aa Tre diversi genotipi: AA : Aa : aa 1 : 2 : 1 Due fenotipi (liscio, rugoso) Come distinguere i due genotipi delle piante con semi lisci? Test‐cross Un modo efficace per scoprire il genotipo di un individuo è l’incrocio di prova o testcross AA (seme liscio) x aa (seme rugoso) Aa (seme liscio) ¾ lisci ¼ rugosi Aa (liscio) x aa (rugoso) AA (liscio) x aa (rugoso) ½ licio (1 Aa). ½ rugoso (aa) 100% liscio (Aa) 10 2/10/2011 Due membri di una coppia genica (alleli) segregano (si separano) l’uno dall’altro durante la formazione dei gameti Cromosomi Fattori di Mendel Fattori di Mendel (alleli) Appaiamento A a A Segregazione a Meiosi‐ Anafase I Incrocio di un diibrido Il passo successivo per Mendel fu quello di determinare le leggi che regolano l’eredità di due caratteri diversi CARATTERE DOMINANTE CARATTERE CARATTERE CARATTERE DOMINANTE CARATTERE RECESSIVO CARATTERE RECESSIVO Colore del Bacello Colore del seme Giallo Verde gg GG Verde Giallo yy YY Giallo GENERAZIONE F1 (Eterozigoti) Verde Gg Yy 11 2/10/2011 Principio dell’assortimento indipendente Geni localizzati su cromosomi diversi si comportano indipendentemente nella meiosi durante la formazione dei gameti Cromosomi Fattori di Mendel (alleli) B A b A Assortimento indipendente a a b B Meiosi‐ Anafase I La segregazione indipendente di un diibrido P GGYY ggyy GY gy (gameti) F1 GgYy GY Gy gY gy (gameti) F2 12 2/10/2011 Se la F2 viene classificata contemporaneamente per i due caratteri in esami abbiamo 4 classi fenotipiche, nel rapporto 9:3:3:1 9 Seme giallo, frutto verde 3 Seme giallo, frutto giallo 3 Seme verde, frutto verde 1 Seme verde frutto giallo Seme verde, frutto giallo Quali sono i genotipi degli individui appartenenti alle diverse classi? 13 2/10/2011 Frequenze delle classi fenotipiche attese dai reincroci di linee con diversi genotipi relativi a due coppie alleliche Frequenze delle classi fenotipiche A‐ B‐ A‐ bb aa B‐ aa bb Reincroci AA BB Aa BB AA Bb Aa Bb AA bb Aa bb aa BB aa Bb aa bb x aa bb x aa bb x aa bb x aa bb x aa bb x aa bb x aa bb x aa bb x aa x aa bb 1 0 0 0 1/2 0 1/2 0 1/2 1/2 0 0 1/4 1/4 1/4 1/4 0 1 0 0 0 1/2 0 1/2 0 0 1 0 0 0 0 0 1/2 1/2 1/2 1/2 0 0 0 1 Numero di classi fenotipiche e genotipiche attese da autofecondazione di individui eterozigoti (in caso di dominanza completa ed assortimento indipendente) N.ro di geni 1 1 N.ro classi fenotipiche 2 N.ro classi genotipiche 3 Rapporti fenotipici in F2 3 :1 3 :1 2 4 9 9:3:3:1 3 8 27 27:9:9:9:3:3:3:1 … … … … n 2n 3n (3 + 1)n (3:1)n va sviluppato come un binomio. Esempio:(3:1)4= (3:1)(3:1)(3:1)(3:1)= (27:9:9:9:3:3:3:3:1)(3:1)= 14 2/10/2011 Segregazioni nei poliploidi Autopoliploidi (Stessi genomi) Allopoliploidi (Genomi diversi) (Allopoliploidi segmentali) Poliploidi polisomici Poliploidi disomici Citologia Anche Multivalenti Bivalenti Genetica Eredità polisomica Eredità disomica Consideriamo un caso relativamente semplice Allotetraploidi (quattro cromosomi omologhi nelle cellule 2n, nelle cellule gametiche 2 cromosomi) ÆDue alleli, in rapporto di dominanza Æ allelismo multiplo Autotetraploide: (un caso studio: due alleli, dominanza, segregazione casuale/indipendente dei cromosomi) Ad ogni locus, sono possibili 5 genotipi, che si ottengono dalla combinazione di 3 tipi di gameti possibili: AA Aa aa Genotipo Gameti possibili Proporzioni di gameti AAAA AAAa AAaa Aaaa aaaa AA AA, Aa AA, Aa, aa Aa, aa aa Tutti AA 1 AA: 1 Aa 1 AA: 4 Aa : 1 aa 1 Aa: 1 aa Tutti aa Tutti aa • I rapporti fenotipici e genotipici si calcolano di conseguenza In natura, i rapporti genotipici e fenotipici sono influenzati dalla configurazione dei multivalenti alla meiosi (non sempre si ha segregazione indipendente dei 4 cromosomi omologhi) 15 2/10/2011 Esempio: Incrocio AAAa x aaaa AAAa produce i seguenti gameti: AA A A A a AA A a Aa Æ Æ 3 AA: 3 Aa Æ 1 AA: 1Aa AA AA Aa AA Aa Aa aaaa produce un solo tipo di gameti (aa) AA Aa aa AAaa Aaaa 2 genotipi, ma se A domina a, 1 fenotipo Terminologia per la struttura genetica dei loci di un autotetraploide Nei tetraplodi, è frequente la presenza di alleli che non mostrano la semplice relazione dominante/recessivo Mono‐allelico Di‐allelico Di‐allelico Tri‐allelico Tetra‐allelico nulliplex o quadruplex simplex o triplex duplex aiaiaiai aiajajaj aiaiajaj aiajakak aiajakal Nel caso di alleli multipli, si può intuire che il numero di interazioni possibili e’ molto elevato 16