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Dott.ssa Lucia Natali
DISAAA Tel 050 2216 665
RICEVIMENTO SU APPUNTAMENTO e-mail [email protected]
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).
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
Su www.sumanasinc.com/webcontent/animation
Su YOU TUBE
troverete animazioni su MITOSI e MEIOSI
Ripassare la struttura dell’apice vegetativo !!!!!!
Serve per le mutazioni
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.
La MEIOSI consente la riduzione a metà del patrimonio genetico, in modo che alla
fecondazione si ricostituisca (quantitativamente) il patrimonio genetico della specie.
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.
PROCARIOTI
Unicellulari
Batteri
EUCARIOTI
Pluricellulari e unicellulari
Es. animali piante funghi
Caratteristiche della cellula procariotica:
Caratteristiche della cellula eucariotica:
Parete cellulare (peptidoglicano)
Parete cellulare (cellulosa) cellule vegetali
Membrana plasmatica
Membrana plasmatica
Citoplasma che contiene DNA RNA e Proteine
Citoplasma con organelli
Nucleo separato dal citoplasma
DNA organizzato in cromosomi
La cellula vegetale
La cellula animale
CICLO
RIPRODUTTIVO
Es. Mais
Batteriofago
Escherichia coli
Arabidopsis
BA
thaliana
Caenorhabditis
elegans
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”!
GENETICA FORMALE
- incroci monoibridi
- la legge della Dominanza
Le leggi di Mendel
- la legge della Segregazione
- incroci diibridi
- la legge dell’indipendenza dei caratteri
Dalle leggi di Mendel al fenotipo
- interazioni alleliche
- interazioni geniche
- pleiotropia
- allelismo multiplo
- geni associati
- Mappe genetiche
- i caratteri quantitativi
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 2a e 3a 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.
Gregor MENDEL (1822-1884)
Marzo 1865: Ricerche sugli ibridi delle piante
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)
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
Come venivano realizzati gli incroci …
….. e gli incroci reciproci
INCROCIO MONOIBRIDO
P
F1
F2
Legge dell’uniformità della progenie F1 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.
Incrocio monoibrido ripetuto per i sette caratteri e analisi dei dati delle F2
Esperimenti di Mendel con l’analisi dei caratteri delle piante F2 derivate
dalla AUTOFECONDAZIONE DI INDIVIDUI F1
carattere
piante con il carattere
dominante
recessivo
semi lisci : semi rugosi
5474
1870
cotiledoni gialli : cotiledoni verdi
6022
2001
baccello liscio : bacc. con costrizioni
882
299
baccello verde : baccello giallo
428
152
fiori ascellari : fiori terminali
651
207
pianta alta : pianta nana
787
277
fiore porpora : fiore bianco
705
224
rapporto
2,96 : 1
3,01 : 1
2,95 : 1
2,82 : 1
3,14 : 1
2,84 : 1
3,15 : 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
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
Verifica in F3: se la teoria di Mendel è corretta, alcune piante F2 dominanti
segregano ancora in F3, altre no. Il rapporto atteso è di 2:1 segreganti: non segreganti
Esperimenti di Mendel con l’analisi dei caratteri delle piante F3 derivate
dalla autofecondazione di individui F2
carattere
forma del seme
colore dei cotiledoni
colore dei fiori
tipo di baccello
colore del baccello
posizione del fiore
altezza
piante F2 con il carattere dominante
segreganti(Dd)
non segreganti(DD)
372
353
64
71
60
67
72
193
166
36
29
40
33
28
rapporto
1,93
2,13
1,78
2,45
1,50
2,03
2,57
:
:
:
:
:
:
:
1
1
1
1
1
1
1
Schema dell’incrocio monoibrido e terminologia moderna
P
AA
gameti
x
aa
A
a
gameti maschili
F1
A
a
gameti femminili A
a
Aa
F2
AA
Aa
Aa
aa
F3
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
Verifica con il REINCROCIO:
P
Fiore rosso AA
F1
BC1
x
aa
rosso Aa
rosso
gameti
Aa
x
A
Risultato atteso
1 : 1
aa
a
a
Aa : aa
bianco
a
A
a
Aa
aa
Risultato osservato
50% fiore rosso(dom) 50% fiore bianco (rec)
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?
Incrocio diibrido
Incrocio diibrido
F2
forma e colore
lisci e gialli
lisci e verdi
rugosi e gialli
rugosi e verdi
n°
315
108
101
32
caratteri considerati
solo forma
solo colore
n°
proporzione
n°
proporzione
lisci 423
3
gialli 416
3
rugosi 133
1
verdi
140
1
• 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
3/4 gialli = 9/16 (lisci e gialli)
3/4 semi lisci
1/4 verdi = 3/16 (lisci e verdi)
F2
3/4 gialli = 3/16 (rugosi e gialli)
1/4 semi rugosi
1/4 verdi = 1/16 (rugosi e verdi)
Se i due caratteri si trasmettono in modo indipendente si ottiene in F2 un rapporto in sedicesimi di
9:3:3:1
Risultati ottenuti e risultati attesi per le quattro classi
fenotipiche in una F2 di un diibrido
cotiledoni
lisci e gialli
lisci e verdi
rugosi e gialli
rugosi e verdi
totale
frequenze osservate
315
108
101
32
556
frequenze teoriche
313
104
104
35
556
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.
1/2 G => 1/4 WG
Al momento della formazione dei gameti in
F1 ogni coppia di “fattori” segrega in modo
indipendente l’una dall’altra.
1/2 W
1/2 g => 1/4 Wg
F1
Ww Gg
1/2 G => 1/4 wG
1/2 w
1/2 g => 1/4 wg
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
3
3
1
G- WG - ww
gg W gg ww
Il REINCROCIO del diibrido permette di dimostrare che il
diibrido produce 4 tipi di gameti con uguale frequenza
P
WWGG x wwgg
F1
WwGg
BC1 WwGg
x wwgg
G
WG
wg
Wg
wG
¼
¼
¼
¼
wg
¼ wwGg
¼ WwGg
¼ wwgg
¼ Wwgg
¼ rugosi, gialli
¼ lisci, gialli
¼ rugosi, verdi
¼ lisci, verdi
wg
wg
wg
wg
wG
WG
wg
Wg
INCROCIO TRIIBRIDO
P
G
AABBCC
ABC
F1
aabbcc
abc
AaBbCc
ABC ABc
ABC
ABc
AbC
F2
x
aBC
Abc
aBc
abC
abc
AbC
aBC Abc aBc
abC abc
Rapporto di segregazione F2 in un incrocio triibrido
27/ 64
9
9
9
3
3
3
1
A-B-CA-B-cc
A-bbCaaB-CA-bbcc
aaB-cc
aabbCaabbcc
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
di
geni
Numero
di tipi
gametici
prodotti
dalla F1
Numero
Numero
Numero
di comdei
dei
binazio- fenotipi genotipi
ni di
in F2
in F2
gameti
in F2
Rapporti di segregazione
fra i fenotipi in
F2
1
2
4
2
3
3 + 1
2
4
16
4
9
9 + 3 + 3 + 1
3
8
64
8
27
n
2n
4n
2n
3n
27+9+9+9+3+3+3+1
(3 + 1)n
Come si indicano geni e alleli:
allele
dominante
allele
recessivo
1)
A
a
2)
R
r
(nome del gene)
3)
b+
+
b
b
(in Drosophila)
4)
his+
his+
hishis
(nei batteri)
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 F2 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 F1 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
Valutazione dei dati genetici: test del χ2
•
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
Test del Chi- Quadrato
Passo 1: Stabilire l’ ipotesi zero (H0)
– 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)
Test del Chi- Quadrato
•
Passo 2: Calcolare il valore di chi-quadrato per l’incrocio in esame
2
(osservati
–
attesi)
χ2 S
=
=
attesi
(-10) 2
(10) 2
+
750
250
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 2calc = 0,53
Ora dobbiamo confrontare il valore di χ2 calcolato con i valori tabulati.
La tabella del χ2 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
Test del Chi- Quadrato
•
Passo 4: confrontare il valore di χ2 calcolato con il valore di χ2 tabulare
- Se il valore di χ2 calcolato è MINORE del valore tabulare, ACCETTIAMO
L’IPOTESI H0
- Se il valore di χ2 calcolato è MAGGIORE del valore tabulare, RIFIUTIAMO
L’IPOTESI H0 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 χ2 tabulare = 3.84
Il valore di χ2 calcolato = 0.53
– Il valore calcolato è minore
di quello tabulare, quindi,
accettiamo H0
H0 = Il rapporto misurato non
è diverso dal rapporto
atteso 3:1
Test del Chi- Quadrato
Se il valore di χ2 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 χ2 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% !)