VARIABILITA’
Charles Darwin (1859)
L’origine
della specie
La teoria evolutiva si
basa su tre
caratteristiche
universalmente
presenti
nel
mondo vivente :
EREDITARIETA’
DIFFERENTE
SUCCESSO
RIPRODUTTIVO
Un processo stocastico è
caratterizzato da un comportamento
non deterministico, cioè è un processo
in cui uno stato successivo non viene
completamente determinato dallo
stato precedente
FLUSSO
GENICO
DERIVA
GENETICA
È un effetto stocastico
derivante dal ruolo del
campionamento casuale nella
produzione di prole.
FORZE EVOLUTIVE CHE
AGISCONO SULLA
VARIABILITÀ GENETICA
Più la popolazione è piccola, più
è intensa la deriva genetica
AA
BC
BC
DE
A 25%
B 25%
C 25%
D 12.5%
E 12.5%
MUTAZIONE
SELEZIONE
B 75%
C 25%
BB
BB
BC
BC
ACCOPPIAMENTO
NON CASUALE
FLUSSO GENICO
Movimento di geni tra le popolazioni (i geni si intendono sotto forma di gameti, propaguli e
individui) che determini un cambiamento della distribuzione spaziale dei geni –Slatkin 1995Qualsiasi movimento tra gruppi di organismi che determini cambiamenti genetici nei
gruppi interessati –Hedrick 2000Trasferimento di alleli tra popolazioni
Da non confondere con:
MIGRAZIONE
Ogni movimento, inclusi movimenti ciclici,
che termina con il ritorno dell’organismo
alla sua posizione originale
DISPERSIONE
Ristretta più precisamente
ai movimenti che aumentano
la distanza tra organismi
EFFETTI SULLA VARIABILITA’ GENETICA
SELEZIONE
FLUSSO GENICO
INBREEDING
MUTAZIONE
DERIVA GENETICA
OUTBREEDING
EFFETTI SULLA VARIABILITA’ GENETICA
SELEZIONE
FLUSSO GENICO
INBREEDING
MUTAZIONE
DERIVA GENETICA
OUTBREEDING
ELEVATO FLUSSO
GENICO
EFFETTI SULLA VARIABILITA’ GENETICA
SELEZIONE
FLUSSO GENICO
INBREEDING
MUTAZIONE
DERIVA GENETICA
OUTBREEDING
SCARSO FLUSSO
GENICO
EFFETTI SULLA VARIABILITA’ GENETICA
SELEZIONE
FLUSSO GENICO
INBREEDING
MUTAZIONE
DERIVA GENETICA
OUTBREEDING
SCARSO FLUSSO GENICO
ENTRO POPOLAZIONE
FLUSSO GENICO
FLUSSO GENICO STORICO
Flusso genico sperimentato da una
metapopolazione durante la sua
“storia evolutiva”
FLUSSO GENICO CONTEMPORANEO
Pattern attuale degli scambi genetici
tra o entro popolazione, la risoluzione
aumenta fino ad una generazione
oppure fino all’ultimo evento
riproduttivo
STIMATI MEDIANTE
METODI INDIRETTI
Stimano il flusso genico storico a
partire dalla struttura genetica
attuale
Il flusso genico storico risulta
essere una media di quello
sperimentato dalla popolazione
dalla sua fondazione ad oggi
METODI DIRETTI
Si stima direttamente la dispersione dei propaguli.
Quest'ultima categoria di metodi è sostanzialmente più
difficile da implementare e produce solo una
``fotografia istantanea'' nel tempo (una stagione, una
generazione in una popolazione), cioè le stime possono
variare da un anno all'altro.
Conoscendo il genotipo degli individui adulti attualmente
presenti nella popolazione si possono seguire i loro
spostamenti e il loro contributo alle generazioni più recenti
METODI INDIRETTI
I metodi indiretti, derivati principalmente dall’Fst di Wright (Wright, 1951), mostrano
essenzialmente quale sia la frazione di varianza tra sottopopolazioni partendo dai dati
genetici di una popolazione all’equilibrio di Hardy-Weinberg, da tale valore si può
stimare l’importanza relativa di deriva genetica e flusso genico per quella popolazione.
FST misura la differenziazione
delle popolazioni e
rappresenta anche la % di
varibilità genetica dovuta alla
componente fra popolazioni
Leonardi et al., Conservation Biology, in prep.
Scalfi et al., Molecular Ecology, in prep.
Result of analysis of molecular
variance (AMOVA) (Michalakis &
Excoffier, 1997)
Intermediate |
Low
0 .0 5
0 .0 2
0 .0 3
0 .0 4
F SG
0 .0 6
0 .0 7
0 .0 8
Fragmentation
level: High |
Remote-Abyssal
Map of central Italy with all the sampled populations.
In the small boxes a pictorial description of group characteristics is reported.
Remote-Summit
Near-Marginal
FSG value ( bootstrap CI =95% )
calculated for each group of populations
METODI INDIRETTI
Autocorrelazione Spaziale
L’approccio è basato sull’analisi della relazione tra similarità genetica e distanza
geografica che separa più individui e/o popolazioni
Individuo
Locus 1
Locus 2
Locus 3
1
aa
xx
wz
2
ab
yy
wz
GENOTIPO
DISTANZA GEOGRAFICA
similarità
genetica
similarità
genetica
distanza geografica
FLUSSO GENICO VIA POLLINE E/O VIA
LIMITATO DALLA DISTANZA
distanza geografica
FLUSSO GENICO ELEVATO
Quercus rubra:
-Dispersione zoocora (semi pesanti)
-No adulti nell’area
-< densità di adulti fuori dall’area
Pinus strobus:
-Dispersione anemocora (semi leggeri)
-Individui adulti nell’area
->densità di adulti fuori dall’area
METODI DIRETTI
ASSIGNMENT TEST
Tra i metodi diretti recentemente sviluppati, mi sembra particolarmente
interessante l’”assignment test”, una procedura che permette, partendo dai
dati genetici e dalla localizzazione geografica di individui appartenenti a
popolazioni non necessariamente in equilibrio di Hardy-Weinberg, di
calcolare:
A) il numero ottimale di sotto popolazioni in cui è suddivisa la popolazione
B) la probabilità che ciascun individuo appartenga ad ogni sottopopolazione,
assegnandolo poi alla popolazione con probabilità maggiore.
Ciò permette di valutare quanto le sottopopolazioni si sovrappongano,
individuando eventuali “ibridi” o individui appartenenti a una
sottopopolazione che si trovano nel territorio di altre (Davies et al., 1999).
N = 50
N = 50
Locus 1 f(A)=95% f(a)=5%
Locus 1 f(A)=5% f(a)=95%
Locus 2 f(B)=90% f(b)=10%
Locus 2 f(B)=10% f(b)=90%
aa bb
AABB
PERCHE’ STUDIARE IL FLUSSO GENICO?
CONSERVATION GENETICS
GMO INTROGRESSION
GLOBAL WARMING
Un caso di studio
GENETICA DELLA COLONIZZAZIONE
ORIGINE DELLA RINNOVAZIONE DI ABETE ROSSO ALLA TREELINE
in preparazione
Treeline
Ecotono di treeline:
Körner and Paulsen, 2003
Treeline
Ecotono di treeline:
Körner and Paulsen, 2003
Riveste grande interesse ecologico per due motivi principali:
1
In questo settore altitudinale della foresta le CONDIZIONI AMBIENTALI
PARTICOLARMENTE STRESSANTI influenzano in modo determinante
l’accrescimento, la riproduzione e la competizione tra specie che si trovano ai loro limiti di
distribuzione (Körner, 1998)
PRINCIPALI
LIMITAZIONI DI
CARATTERE
ABIOTICO
Specie forestali
PRINCIPALI
LIMITAZIONI DI
CARATTERE
BIOTICO
2
BASSE TEMPERATURE
SICCITÀ INVERNALE
PERIODO VEGETATIVO CORTO
ELEVATA VENTOSITÀ
PASCOLO DA ANIMALI SELVATICI
PASCOLO DA ANIMALI DOMESTICI
COMPETIZIONE CON ALTRE SPECIE RESIDENTI
Essendo considerato principalmente un “THERMALLY LIMITED ECOTONE”,
è particolarmente sensibile ad alterazioni della temperatura (Dullinger, 2004)
Le dinamiche della treeline
rappresentano un buon indicatore
dei cambiamenti indotti dalle
variazioni climatiche
9 LA TREELINE è UN AMBIENTE ESTREMAMENTE
SELETTIVO
9 ESISTE UNA TENDENZA VERSO UN AVANZAMENTO
ALTITUDINALE DELLA TREELINE
MIGRAZIONE e SELEZIONE
È importante capire da
dove arrivano i semi…..
9 LA TREELINE è UN AMBIENTE ESTREMAMENTE
SELETTIVO
9 ESISTE UNA TENDENZA VERSO UN AVANZAMENTO
ALTITUDINALE DELLA TREELINE
MIGRAZIONE e SELEZIONE
…ma soprattutto quali
genotipo sopravvivono
Colonizzazione
EFFETTO DEL FONDATORE
COLONIZZAZIONE
DIFFERENZIAZIONE GENETICA DALLA
POPOLAZIONE SORGENTE
STRUTTURAZIONE GENETICA SPAZIALE
Colonizzazione
EFFETTO DEL FONDATORE
DIFFERENZIAZIONE GENETICA DALLA
POPOLAZIONE SORGENTE
COLONIZZAZIONE
STRUTTURAZIONE GENETICA SPAZIALE
MATURITÀ SESSUALE TARDIVA
(Specie forestali)
ASSENZA DI STRUTTURAZIONE
GENETICA SPAZIALE
SCARSA DIFFERENZIAZIONE TRA LA
POPOLAZIONE NEOFONDATA E LA
POPOLAZIONE SORGENTE
LA COLONIZZAZIONE VIENE SUPPORTATA
PRINCIPALMENTE
DAL FLUSSO GENICO DALLA POPOLAZIONE
SORGENTE
(Austerlitz et al. 2000)
MA ALLA TREELINE………
COLONIZZAZIONE SUPPORTATA DALLA
POPOLAZIONE SORGENTE
CONTRO
ADATTAMENTI ALTITUDINALI
FENOLOGIA
MINOR DISTANZA DAL FRONTE DI COLONIZZAZIONE
PRO
9 RITARDO MATURITÀ SESSUALE
9 ELEVATO FLUSSO GENICO
9 AUMENTO TEMPERATURE MEDIE
9 POCHI ADULTI ALLA TREELINE/MOLTI NELLA
FORESTA SOTTOSTANTE
9 SCARSA FECONDITÀ
PER CAPIRE LE CONSEGUENZE CHE EFFETTIVAMENTE DETERMINANO
TUTTI I FATTORI IN GIOCO BISOGNA STUDIARE:
1) COSA AVVIENE LUNGO UN TRANSETTO ALTITUDINALE
2) COSA AVVIENE ALLA TREELINE
VARIABILITÀ LUNGO TRANSETTO ALTITUDINALE:
VARIABILITÀ AUMENTA (Oyama et al. 1993, Sanders et al. 2000, Ettl e Peterson
2001, Wen e Hsiao 2001, Gamperle e Sneller 2003)
VARIABILITÀ RIMANE COSTANTE (MacDonald et al. 2001, Saenz-Romero e TapiaOlivares 2003, Zhang et al. 2006 )
VARIABILITÀ DIMINUISCE (Bergmann 1978, Taira et al. 1997, Premoli et al. 2003 )
A – NON È MAI STATO STUDIATO IL FLUSSO GENICO ALLA TREELINE
B – NON È MAI STATA DETERMINATA LA PROVENIEZA DELLA RINNOVAZIONE
Obiettivi
Non sono mai state studiate le
modalità di avanzamento della treeline
(ricolonizzazione del pascolo d’altura)
1
2
DA DOVE VIENE
LA RINNOVAZIONE
CHE PARTECIPA ALLA
RICOLONIZZAZIONE ?
UN
SETTORE
ALTITUDINALE
DELLA FORESTA CONTRIBUISCE
IN MODO PARTICOLARE ALLA
RICOLONIZZAZIONE ?
QUALI SONO LE DINAMICHE
DEL FLUSSO GENICO ALLA
TREELINE ?
Area di studio
Foresta di Paneveggio (TN)
latitudine 46° 18’; longitudine 11° 45’; altitudine 1500-2100 m s.l.m.
Contiene zone classificate tra il III ed il IV livello della “scala
di naturalità” delle foreste (PETERKEN, 1996), cioè zone in
cui gli interventi di gestione da parte dell’uomo sono
terminati da almeno 100 oppure 50 anni
Specie studiata
Abete rosso (Picea abies Karst.)
Campionamento
Localizzazione dei plot
TREELINE VB4
365 Individui
VB3
137 adulti
VB2
135 adulti
VB1
129 adulti
Campionamento
L’area di tree-line VB4 è stata istituita ex-novo per gli
scopi di questo progetto
Sono stati campionati, localizzati sulla mappa, e
misurati (altezza e diametro)
365 individui
Tutta la rinnovazione presente nell’area
Tutti i potenziali genitori presenti nell’area fino al
limite continuo superiore del bosco
Il campionamento ha permesso di caratterizzare
in modo molto preciso la distribuzione dell’abete
rosso nell’area di tree-line
ESTRAZIONE
GENOTIPIZZAZIONE CON 5 SSR
DI 766 INDIVIDUI
Differenziazione tra plot
Risultati
Locus
Fst
ALL LOCI
0,003
95%CI-inf
-0,00239
95%CI-sup
0,00395
Ptest a 1 coda
H1: obs<exp
0,9451
Ptest a 1 coda
H1: obs>exp
0,0559
Ptest a due code
H1: obs<>exp
0,1109
Struttura genetica spaziale
Risultati
NON VIENE RISCONTRATA
AGGREGAZIONE
SPAZIALE DI GENOTIPI
SIMILI
Analisi di Parentela
OBIETTIVI
DETERMINARE L’ORIGINE DELLA RINNOVAZIONE
NELLA ZONA DI COLONIZZAZIONE (GFI vs. GFO)
CAPIRE SE GLI INDIVIDUI ADULTI PRESENTI ALLA
TREELINE, ADATTATI ALLE CONDIZIONI LOCALI E
VICINI AL FRONTE DI COLONIZZAZIONE, HANNO
UN VANTAGGIO RIPRODUTTIVO NEI CONFRONTI DI
QUELLI SOTTOSTANTI
ANALIZZARE LA DISTRIBUZIONE DELLE
DISTANZE EFFETTIVE DI DISPERSIONE ALLA
TREELINE
Analisi di Parentela
ZONA DI COLONIZZAZIONE OLTRE LA TREELINE
Analisi di Parentela
rinnovazione
potenziali genitori
Per poter effettuare l’analisi di
parentela dobbiamo conoscere:
1 – La posizione geografica di tutti
gli individui presenti nell’area
campionata
Analisi di Parentela
2 – il ruolo riproduttivo degli individui
campionati (adulti o rinnovazione)
rinnovazione
potenziali genitori
3 – il genotipo di tutti gli
individui campionati
Analisi di Parentela
4 – la compatibilità genetica tra tutte le possibili terne (coppia di genitori-individuo
giovane) e coppie (singolo genitore – individuo giovane)
rinnovazione
potenziali genitori
COMPATIBILITÀ GENETICA
Analisi di Parentela
L’analisi di parentela può venire eseguita con 2 approcci:
ESCLUSIONE DI PARENTELA, in cui i potenziali genitori vengono esclusi in base
all’incompatibilità con il genotipo della prole, fino a che non ne resta solo una coppia.
ATTRIBUZIONE PROBABILISTICA in cui ad ogni possibile coppia di genitori viene
assegnato un punteggio, chiamato LOD, calcolato come la probabilità di essere i
genitori di un particolare individuo, diviso la probabilità di non esserlo.
PROBABILITA’ CHE
C E D SIANO GENITORI DI B
T (gB | gC,gD) P(gC) P(gD)
PROBABILITA’ CHE LA COMBINAZIONE DEI TRE
GENOTIPI SIA CASUALE
P(gB) P(gC) P(gD)
Risultati
Analisi di parentela – Probabilità di esclusione
PROBABILITA’ DI ESCLUSIONE: la capacità media di un set di marcatori di escludere gli
individui dalla lista dei potenziali genitori basandosi sull’incompatibilita’ genetica
dipende da:
i genotipi dei potenziali genitori
le frequenze alleliche della popolazione
COPPIA DI
GENITORI
SINGOLO
GENITORE
0.998
0.891
il numero dei loci indipendenti testati
ASSEGNAZIONE “MOST LIKELY”
software FaMoz
(Gerber et al. (2003) Molecular Ecology Notes, 3: 479-481)
Risultati
GAMETIC LEVEL
GENOTYPIC LEVEL
Analisi di parentela – Flusso genico
98% DELLA
RINNOVAZIONE HA
ALMENO UN GENITORE
LOCALIZZATO
ALL’ESTERNO
DELL’AREA
ELEVATO FLUSSO
GENICO DALL’ESTERNO
72% DEI GAMETI
CAMPIONATI
PROVIENE
DALL’ESTERNO
Risultati
Analisi di parentela – Successo riproduttivo
27% 61%
COMPATIBILI CON IL 33.3%
DELLA RINNOVAZIONE
PRODUCONO IL 18.7% DEI
GAMETI CAMPIONATI
MEDIA = 8.43 ± 2.25 SE
RANGE = 0 – 51
Risultati
Analisi di parentela – Assunzioni
A
ASSUNZIONI DI DOW & ASHLEY (1996)
Molecular Ecology, 5: 615-627
B
se un individuo giovane è compatibile
con un solo genitore, allora questo
genitore viene considerato il
produttore del seme;
se un individuo giovane è compatibile
con una coppia di genitori, il genitore
più vicino viene considerato il
produttore del seme, mentre quello
più lontano il produttore del polline.
Risultati
Analisi di parentela – Distanze di disseminazione per singola madre
PIANTA
MADRE
2323
PIANTA
MADRE
2377
PIANTA
MADRE
2359
PIANTA
MADRE
2336
Risultati
Analisi di parentela – Distribuzione distanze di disseminazione
MEDIA = 344.18 m ± 17.70 SE
RANGE = 15.9 – 833.42 m
Risultati
Analisi di parentela – Distribuzione distanze di disseminazione
Dall’andamento della curva di
dispersione effettiva del seme
(recruitment pattern) si può
dedurre la curva di sopravvivenza
L’andamento della
distribuzione osservata è
coerente con il
J-C recruitment pattern
Risultati
Analisi di parentela – Distribuzione distanze di disseminazione
Conclusioni
LA COLONIZZAZIONE VIENE SUPPORTATA
PRINCIPALMENTE
MATURITÀ SESSUALE
TARDIVA
SCARSA DIFFERENZIAZIONE TRA LA
POPOLAZIONE NEOFONDATA E LA
POPOLAZIONE SORGENTE
DAL FLUSSO GENICO DALLA POPOLAZIONE
SORGENTE
ASSENZA DI STRUTTURAZIONE
GENETICA SPAZIALE
Fst
0.003
1
LA RICOLONIZZAZIONE NELL’AREA DI TREELINE
È SUPPORTATA PRINCIPALMENTE DA FLUSSO
GENICO PROVENIENTE DALL’ESTERNO
Conclusioni
Confronto letteratura
Risultati del lavoro di Truong et al. (2007)
Risultati dell’esperimento
Confronto letteratura
Fst
0.003
IN ENTRAMBI I CASI è STATO RISONTRATO UN ELEVATO FLUSSO GENICO
Conclusioni
ESISTE UNA NOTEVOLE DIFFERENZA NEL
SUCCESSO RIPRODUTTIVO DEI POTENZIALI
GENITORI PRESENTI NELL’AREA DI TREELINE
TALE DIFFERENZA È CORRELATA ALLE
CARATTERISTICHE MORFOMETRICHE MISURATE
2
LE PROGENIE DI ALCUNI
GENOTIPI POTREBBERO
ESSERE FAVORITA IN
TERMINI DI INSEDIAMENTO
E SOPRAVVIVENZA
Conclusioni
3
IL PATTERN DI RECLUTAMENTO
INDICA UN AUMENTO DELLA
SOPRAVVIVENZA LONTANO
DALLE PIANTE ADULTE
Competizione, predazione, disponibilità di luce
L’APPROCCIO UTILIZZATO (vARIABILITÀ
LUNGO UN TRANSETTO ALTITUDINALE +
ANALISI DI PARENTELA) FORNISCE UN
PUNTO DI PARTENZA SOLIDO PER
INTERPRETARE
L’INTERAZIONE
TRA
FLUSSO GENICO E SELEZIONE LOCALE
NEL PROCESSO DI COLONIZZAZIONE
GRAZIE
