Βελτίωση Σταυρογονιμοποιούμενων φυτών Είδη ποικιλιών Πληθυσμοί ελεύθερης επικονίασης (OP) Είναι ετερογενείς και ετεροζύγωτοι πληθυσμοί που παράγονται με ανοιχτή, χωρίς έλεγχο επικονίαση. Η επιλογή τέτοιου είδους ποικιλιών αποτελεί ουσιαστικά αποτέλεσμα πληθυσμιακής βελτίωσης Συνθετικές ποικιλίες Ετερογενείς ποικιλίες που παράγονται από τη διασύζευξη (intermating) ενός συγκεκριμένου αριθμού συστατικών γονοτύπων Υβρίδια Αποτέλεσμα ελεγχόμενης διασταύρωσης μεταξύ δύο γενετικά ανόμοιων γονέωνκαθαρών σειρών που έχουν επιλεγεί με βάση την ικανότητά τους να παράγουν μια εξαιρετικά παραγωγική F 1 (ετέρωση) Υπάρχουν επίσης: τριπλά υβρίδια (3 γονέων), διπλά υβρίδια (4 γονέων) και πληθυσμιακά υβρίδια (με διάφορο βαθμό ετερογένειας)
Γενετική δομή πληθυσμών σταυρογονιμοποιούμενων φυτών Χαρακτηρίζονται από υψηλό βαθμό ετεροζυγωτίας και ετερογένειας, αποτέλεσμα του τρόπου αναπαραγωγής τους με ελεύθερη και τυχαία σύζευξη μεταξύ των ατόμων του πληθυσμού (random mating) Οι γονιδιακές και γονοτυπικές συχνότητες ενός τέτοιου πληθυσμού βρίσκονται σε ισορροπία Hardy-Weinberg, δηλαδή παραμένουν σταθερές στη διαδοχή των γενεών, υπό την προϋπόθεση απουσίας επιλογής, μεταλλάξεων, μετανάστευσης ή τυχαίας παρέκλισης Η ισορροπία αυτή επιτυγχάνεται μετά από μία γενεά τυχαίας σύζευξης
Γενετική δομή πληθυσμών (συνέχεια) Οι συχνότητες HW ισορροπίας σε πληθυσμό τυχαίας σύζευξης Με αρχική συχνότητα αλληλομόρφων p (A) και q (B) - οι γονοτυπικές συχνότητες που προκύπτουν είναι: AA = p 2 Aa = 2pq aa = q 2 - οι συχνότητες των αλληλομόρφων παραμένουν αμετάβλητες
Γενετική δομή πληθυσμών (συνέχεια) Συνέπειες της σταυρογονιμοποίησης: Σε κάθε γονιδιακό τόπο (locus) για τον οποίο υπάρχουν δύο τουλάχιστον αλληλόμορφα στον πληθυσμό, μέρος των φυτών θα είναι ετεροζύγωτα. Εάν αυτό συμβαίνει σε πολλούς τόπους τότε: - κάθε φυτό είναι ετεροζύγωτο σε ένα ποσοστό αυτών - κάθε φυτό είναι γενετικά διαφορετικό από κάθε άλλο Ένα μεγάλο ποσοστό υπολειπόμενων αλληλομόρφων είναι κρυμμένο σε ετεροζύγωτα άτομα
Ομομεικτικός εκφυλισμός Η ύπαρξη επιβλαβών υπολειπόμενων αλληλομόρφων σε κρυμμένη ετεροζύγωτη κατάσταση ονομάζεται Γενετικό φορτίο (genetic load) ενός πληθυσμού. Εξαιτίας του Γενετικού αυτού φορτίου, η πορεία προς την ομοζυγωτία (ομομειξία) επιφέρει μείωση της μέσης παραγωγικής συμπεριφοράς του πληθυσμού (ομομεικτικός εκφυλισμός inbreeding depression) AA Αα αα 0.9801 0.0198 0.0001 Εάν q (α) = 0.01 μόνο το 0.01% του πληθυσμού εκφράζει το επιβλαβές γνώρισμα AA Αα αα 0.9900 0.0000 0.0100 Μετά επανειλημμένη αυτογονιμοποίηση αυξήθηκε 100 φορές το ποσοστό των ατόμων που εκφράζουν το επιβλαβές γνώρισμα
Ομομεικτικός εκφυλισμός (συνέχεια) Εάν υπάρχουν 200 επιβλαβείς αλληλόμορφοι με q = 0.01, η πιθανότητα μη ύπαρξης ομοζυγωτίας για κανέναν από αυτούς είναι: P(A,B,C,D, ) = (0.9999) 200 = 0.9802 δηλαδή 98% των φυτών του πληθυσμού είναι κανονικά Για τις καθαρές σειρές που προκύπτουν από αυτόν τον πληθυσμό η αντίστοιχη πιθανότητα είναι: P(A,B,C,D, ) = (0.99) 200 = 0.134 δηλαδή 87% των καθαρών σειρών είναι ομοζύγωτες για τουλάχιστον ένα από τα αλληλόμορφα
Σχέση φαινότυπου - γονότυπου Η βελτίωση ενός πληθυσμού απαιτεί την επιλογή καλών γονοτύπων που θα αναπαράγουν τις επόμενες γενεές Στην πράξη η επιλογή αυτή πραγματοποιείται με βάση τον φαινότυπο του φυτού, που όμως δεν αντικατοπτρίζει πάντοτε την αξία του γονότυπου Στα ποιοτικά (συνήθως μονογονιδιακά) γνωρίσματα η κυριαρχία αποκρύπτει την πραγματική διαφορά μεταξύ των γονοτύπων Στα ποσοτικά (πολυγονιδιακά) γνωρίσματα ο φαινότυπος είναι αποτέλεσμα του γονότυπου και του περιβάλλοντος : P = G + E
Σχέση φαινότυπου - γονότυπου (συνέχεια) Ποιοτικά γνωρίσματα Η κυριαρχία αποκρύπτει τη διαφορά ΒΒ και Bb Ποσοτικά γνωρίσματα Γονότυπος ΒΒ Βb bb Φαινότυπος πράσινο πράσινο κίτρινο Η περιβαλλοντική διασπορά εμποδίζει την ακριβή εκτίμηση του γονότυπου από το φαινότυπο. Οι μέσες τιμές (10, 15 και 20) αντιπροσωπεύουν τις φαινοτυπικές τιμές των τριών γονοτύπων. Στην κάθε γονοτυπική κλάση υπάρχει περιβαλλοντική διασπορά γύρω από τις τιμές αυτές πχ τιμή 17 μπορεί να ανήκει σε οποιαδήποτε κλάση
Ποσοτικά γνωρίσματα: γενετική και περιβαλλοντική διασπορά Πολλά σημαντικά γνωρίσματα (πχ απόδοση, ύψος) είναι ποσοτικά, δηλαδή η κατανομή των τιμών τους είναι συνεχής χωρίς διακριτές κλάσεις. Αυτά τα γνωρίσματα έχουν δύο βασικά χαρακτηριστικά: - ελέγχονται από πολλά γονίδια - κάθε γονίδιο έχει μικρή, συνήθως προσθετική συμβολή - επηρεάζονται σημαντικά από τo περιβάλλον Εάν καλλιεργηθούν πολλοί γονότυποι σε ένα πειραματικό αγρό, οι φαινοτυπικές διαφορές για το ποσοτικό γνώρισμα θα οφείλονται σε: - γενετικά αίτια (διαφορές μεταξύ των γονοτύπων) - περιβαλλοντικά αίτια (διαφορές στις συνθήκες του αγρού)
Ποσοτικά γνωρίσματα: γενετική και περιβαλλοντική διασπορά (συνέχεια) Η φαινοτυπική διασπορά (V p ) είναι το άθροισμα της γενετικής (Vg) και της περιβαλλοντικής διασποράς (Ve): V p = V g + V e Με κατάλληλο πειραματικό σχέδιο (πχ RCB) μπορούμε να διακρίνουμε το κάθε συστατικό της φαινοτυπικής διασποράς Πηγή Βαθμοί ελευθερίας θεωρητικά MT Γoνότυποι G 1 σ 2 e + Rσ 2 g Επαναλήψεις R 1 σ 2 e + Gσ 2 r Σφάλμα (R 1) (G 1) σ 2 e Ολική (RG 1)
Μέση τιμή Για ένα γονίδιο: Μ = d (p-q) + 2hpq Συνολικά: Μ = Σ [d (p-q) + 2hpq] όπου d η τιμή του ομοζύγωτου γονοτύπου, h η τιμή του ετεροζύγωτου, p και q οι συχνότητες των αλληλομόρφων. Οι τιμές d, h p και q δεν είναι δυνατό να μετρηθούν ατομικά Γονοτυπική τιμή Για ένα γονίδιο: G = D + H, όπου D είναι η αθροιστική τιμή και Η είναι η κυριαρχική παρέκκλιση Για όλα τα γονίδια: G = D + H + I όπου Ι είναι η επιστατική παρέκκλιση Το σύνολο των αθροιστικών δράσεων των γονιδίων (D) ενός ατόμου ονομάζεται Βελτιωτική τιμή (breeding value) και αποτελεί το τμήμα εκείνο της γονοτυπικής του τιμής που προσδιορίζει τη μέση συμπεριφορά των απογόνων του
Συστατικά της γενετικής διασποράς Η εκτίμηση της γενετικής διασποράς σε πειράματα καθαρών σειρών προκύπτει από τις διαφορές μεταξύ των ομοζύγωτων γονοτύπων Οι γονότυποι όμως σε ένα διαχωριζόμενο πληθυσμό (πχ F 2, F 3 )είναι ομοζύγωτοι για ορισμένα γονίδια και ετεροζύγωτοι για άλλα Εάν τα γονίδια δρουν μόνο αθροιστικά, δεν ενδιαφέρει η ομοζύγωτη ή η ετεροζύγωτη κατάσταση ενός γονιδίου ούτε η ύπαρξη άλλων γονιδίων. Όμως στην πραγματικότητα, στα γονίδια που ελέγχουν ποσοτικά γνωρίσματα υπάρχει κυριαρχική και επιστατική δράση Επομένως η γενετική διασπορά περιέχει ένα αθροιστικό, ένα κυριαρχικό και ένα επιστατικό συστατικό
Συστατικά της γενετικής διασποράς Η γενετική διασπορά μεταξύ ατόμων ενός πληθυσμού εκφράζεται ως: σ 2 G=σ 2 D + σ 2 Η + σ 2 Ι ή V g = V d + V h + V i Αθροιστική διασπορά (σ 2 D ) : είναι η διασπορά των βελτιωτικών τιμών μεταξύ των ατόμων του πληθυσμού, δηλαδή προέρχεται από τις διαφορές των τιμών μεταξύ δύο ομοζύγωτων καταστάσεων ενός γονιδίου (ΑΑ και αα) Κυριαρχική διασπορά (σ 2 Η ): είναι η διασπορά μεταξύ των ατόμων για τις κυριαρχικές αποκλίσεις, δηλαδή οφείλεται στην απόκλιση της τιμής του ετεροζύγωτου (Αα) από το μέσο όρο των δύο ομοζύγωτων καταστάσεων ενός γονιδίου (ΑΑ και αα) Επιστατική διασπορά (σ 2 Ι ): είναι η διασπορά μεταξύ των ατόμων για επιστατικές αλληλεπιδράσεις, δηλαδή στις αλλεπιδράσεις μεταξύ δύο ή περισσοτέρων γονιδίων. Η διασπορά αυτή μπορεί να υποδιαιρεθεί σε σ 2 DD, σ 2 DH, σ 2 DDD, κλπ Το μέγεθος των παραπάνω συστατικών εξαρτάται από το συγκεκριμένο πληθυσμό
Εκτίμηση συστατικών της γενετικής διασποράς Η εκτίμηση της γενετικής διασποράς αποτελεί αντικείμενο της Βιομετρικής Γενετικής Eάν πχ δεχθούμε απουσία επιστατικού συστατικού, η αθροιστική διασπορά V d (ή D) και η κυριαρχική διασπορά V h (ή Η) εκτιμώνται από τις φαινοτυπικές διασπορές των P 1, P 2,, F 1, F 2 και Β 1 (F 1 P 1 ) και Β 2 (F 1 P 2 ) ως εξής: Κληρονομήσιμη σταθεροποιήσιμη : (D) = 4 V F2 2(V B1 + V B2 ) Κληρονομήσιμη μή σταθεροποιήσιμη : (H) = 4 (V B1 + V B2 - V F2 - V E ) Μη κληρονομήσιμη : (Ε) = (V P1 + V P2 +V F1 ) / 3
Κληρονομικότητα Ο βαθμός συνεισφοράς του γονότυπου στη φαινοτυπική διασπορά ενός γνωρίσματος είναι η κληρονομικότητα του γνωρίσματος, έννοια ιδιαίτερα σημαντική στη βελτίωση των φυτών. Με βάση τις εκτιμήσεις των συστατικών της φαινοτυπικής διασποράς υπολογίζονται δύο συντελεστές κληρονομικότητας: ο υπό ευρεία έννοια h 2 = V g / V p που αναφέρεται στο σύνολο της γενετικής διασποράς (V g = V d + V h + V i ), και είναι επαρκής στην περίπτωση πληθυσμών καθαρών σειρών και κλώνων ο υπό στενή έννοια h 2 ns = V d / V p που αφορά στην αθροιστική διασπορά, το τμήμα της γενετικής διασποράς που μπορεί να μεταφερθεί στην επόμενη γενεά. Χρησιμοποιείται για την πρόβλεψη της γενετικής προόδου κατά την επιλογή ενός γνωρίσματος από διαχωριζόμενους πληθυσμούς (F 2, F 3, κλπ)
Κληρονομικότητα (συνέχεια) Η επίδραση διαφόρων τιμών του h 2 στην αναμενόμενη γενετική πρόοδο μετά από κατευθυντήρια επιλογή. Επιλέγονται όλα τα φυτά με φαινότυπο πάνω από t=16. Στην περίπτωση Ι τα φυτά θα είναι κυρίως ΒΒ μαζί με ένα μικρό ποσοστό Βb. Στην περίπτωση ΙΙ δεν επιλέγονται αρκετά ΒΒ ενώ επιλέγεται ένα μεγάλο ποσοστό Βb (ακόμα και μερικά bb). Έτσι στην περίπτωση χαμηλού h 2 η αναμενόμενη γενετική πρόοδος (απόκριση στην επιλογή, R) είναι μικρότερη από αυτήν στην περίπτωση υψηλού h 2
Επιλογή σε πληθυσμό Α. Πληθυσμός πριν την επιλογή: ΒΒ Βb bb Σύνθεση 0.16 0.48 0.36 Μέσες τιμές 20 15 10 Μέση τιμή του πληθυσμού y = (0.16 x 20) + (0.48 x 15) + (0.36 x 10) = 16.0 Επιλογή t > 19 Μέση τιμή επιλεγμένων y s = 21 ΒΒ Βb bb Σύνθεση 0.82 0.18 0.0 Συχνότητες Β, b q b = 0.09 και p B = 0.91
Επιλογή σε πληθυσμό Β. Πληθυσμός μετά την επιλογή ΒΒ Βb bb Σύνθεση 0.828 0.164 0.08 Μέσες τιμές 20 15 10 Μέση τιμή πληθυσμού y t+1 = (0.08 10) + (0.164 15) + (0.828 20) = 19.1 Η μέση τιμή του πληθυσμού μετά την επιλογή (19.1) είναι μεγαλύτερη από αυτήν του αρχικού (16) αλλά μικρότερη από τη μέση τιμή των επιλεγμένων φυτών (21). Αυτό συμβαίνει γιατί μεταξύ των επιλεγμένων βρίσκονταν 20% περίπου ετεροζύγωτα (Βb) φυτά
Αντίδραση στην επιλογή (γενικά) Η αντίδραση στην επιλογή για ένα ποσοτικό γνώρισμα R = h 2 S R = αντίδραση στην επιλογή S = επιλεκτικό διαφορικό h 2 = συντελεστής κληρονομικότητας Για τα περισσότερα αγρονομικά γνωρίσματα h 2 = 0.10-0.40 το h 2 αναφέρεται πάντοτε για ένα συγκεκριμένο πληθυσμό σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον Επιλέγοντας ένα ομοιόμορφο περιβάλλον, η V e είναι μικρότερη, τo h 2 είναι μεγαλύτερο και επομένως το R μεγαλύτερο Εάν το γνώρισμα επιλέγεται μετά την ανθοφορία, τότε R=1/2 h 2 S γιατί τα επιλεγμένα φυτά έχουν επικονιαστεί μερικώς από μη επιθυμητά για επιλογή φυτά
Γενετική πρόοδος ανα κύκλο επιλογής Ορίζεται ως η διαφορά της μέσης τιμής του νέου πληθυσμού (απογόνων των επιλεγμένων φυτών) από αυτή του αρχικού πληθυσμού. Εξαρτάται από την φαινοτυπική διασπορά του αρχικού πληθυσμού το συντελεστή κληρονομικότητας (h 2 ns) την ένταση επιλογής (i) R = i σ p h 2 ns ή R = i ( V p ) (V g / V p ) Η ένταση επιλογής είναι το επιλεκτικό διαφορικό (διαφορά μέσης τιμής επιλεγμένων φυτών από το μέσο όρο του αρχικού πληθυσμού) εκφρασμένο σε μονάδες φαινοτυπικής απόκλισης (i = S / σ p ) και εξαρτάται μόνο από την αναλογία των ατόμων που επιλέγονται
Ετέρωση Είναι το φαινόμενο κατά το οποίο οι F 1 απόγονοι μιας διασταύρωσης δύο καθαρών σειρών υπερτερούν και των δύο γονέων ως προς ένα γνώρισμα. Εκφράζεται σαν το ποσοστό κατά το οποίο υπερτερεί η μέση τιμή του γνωρίσματος του υβριδίου από την αντίστοιχη τιμή του καλύτερου γονέα. H ( F1 P = P 2 2 ) % Στην ετέρωση στηρίζεται κυρίως η δημιουργία ποικιλιών υβριδίων Μπορεί να θεωρηθεί ως το αντίστροφο του ομομεικτικού εκφυλισμού
Ετέρωση Οι αιτίες της ετέρωσης δεν έχουν διευκρινισθεί πλήρως. Υφίστανται διάφορες θεωρίες για την εξήγηση του φαινομένου Θεωρία της κυριαρχίας Είναι η περισσότερο αποδεκτή θεωρία. Προτείνει ότι η ετέρωση οφείλεται στην παρουσία επιθυμητών κυρίαρχων αλληλομόρφων συνδεδεμένων σε άπωση (που προέρχονται από τους διαφορετικούς γονείς). Δηλαδή το υβρίδιο θα έχει σε κάποιους γονιδιακούς τόπους επιθυμητά αλληλόμορφα από τον ένα γονέα και σε άλλους, συνδεδεμένους τόπους, επιθυμητά αλληλόμορφα από τον άλλο γονέα. Έτσι αν και η εν λόγω τόποι είναι ετεροζύγωτοι, δεν είναι η ετεροζυγωτία που συνεισφέρει στην ετέρωση, αλλά το γεγονός ότι συνδεδεμένοι τόποι έχουν τώρα επιθυμητά αλληλόμορφα Με τον τρόπο αυτό και υπολειπόμενα μειονεκτικά αλληλόμορφα του ενός γονέα επικαλύπτονται από τα αντίστοιχα κυρίαρχα επιθυμητά αλληλόμορφα του άλλου.
Ετέρωση Θεωρία της υπερκυριαρχίας Προτείνει ότι η αιτία της ετέρωσης είναι η ετεροζυγωτία αυτή καθεαυτή, δηλαδή ότι η ετεροζύγωτη κατάσταση υπερέχει λόγω ευνοϊκής συνεργασίας των προϊόντων (ενζύμων) των δύο διαφορετικών αλληλομόρφων Αα > ΑΑ, αα Στη δράση αυτή της ετεροζυγωτίας οφείλεται και η αδυναμία παραγωγής καθαρών σειρών με την ίδια τιμή γνωρίσματος Θεωρία συμπληρωματικών γονιδίων Προτείνει ότι η ετέρωση οφείλεται σε διαφορετικά γονίδια χωρίς πλήρη κυριαρχία, που συνεργάζονται κατά συμπληρωματικό τρόπο στο υβρίδιο Θεωρία κυτταροπλάσματος Προτείνει ότι η ετέρωση οφείλεται στην αλληλεπίδραση πυρηνικών και κυτταροπλασματικών γονιδίων ή μόνο κυτταροπλασματικών γονιδίων, που βρίσκονται στα μιτοχόνδρια
Ετέρωση Θεωρία της κυριαρχίας Ερώτημα (1) : γιατί δεν μπορούν να απομονωθούν σειρές ομοζύγωτες για όλα τα επιθυμητά κυρίαρχα γονίδια; A β γ Δ Ε ζ η Θ α Β Γ δ ε Ζ Η θ Χ.. A β γ Δ Ε ζ η Θ α Β Γ δ ε Ζ Η θ A β γ Δ Ε ζ η Θ Χ Χ Χ Χ α Β Γ δ ε Ζ Η θ
Ετέρωση Θεωρία της κυριαρχίας Ερώτημα (2) : γιατί οι F 2 σχεδόν πάντοτε παρουσιάζουν συμμετρική κατανομή, ενώ η αναλογία κυρίάρχων και υπολειπόμενων φαινοτύπων είναι 3:1; αναμένεται ότι κυρίαρχα και υπολειπόμενα γονίδια που ελέγχουν ένα ποσοτικό χαρακτηριστικό είναι συνδεδεμένα οπότε προκύπτει κατά μέσο όρο η συμμετρία εάν ο αριθμός των γονιδίων αυτών είναι μεγάλος η συμμετρική κατανομή στην F 2 προκύπτει και χωρίς την ύπαρξη σύνδεσης