Εισαγωγή στη Δασική Γενετική Γενετική πληθυσμών Χειμερινό εξάμηνο 2014-2015 Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης, Ορεστιάδα Τμήμα Δασολογίας & Διαχείρισης Περιβάλλοντος & Φυσικών Πόρων Εργαστήριο Δασικής Γενετικής Διδάσκων: Αριστοτέλης Χ. Παπαγεωργίου
Σύνοψη Κάθε οργανισμός έχει δύο αλληλόμορφα σε κάθε γονιδιακή θέση, που συνθέτουν το γενότυπό του στη γονιδιακή θέση αυτή Ένα σύνολο οργανισμών σε κάθε γονιδιακή θέση μπορεί να έχει περισσότερα αλληλόμορφα σε συγκεκριμένη συχνότητα Υπάρχουν συγκεκριμένοι κανόνες που αφορούν τη μεταφορά της γενετικής πληροφορίας από τους γονείς στους απογόνους Στο εργαστήριο ή στη φύση μπορούμε να «δούμε» το γενότυπο ενός οργανισμού με τη βοήθεια των γονιδιακών δεικτών 2
Πληθυσμός - έννοια «Πληθυσμός» ή «Μενδελικός πληθυσμός» το σύνολο των ομοειδών οργανισμών που έχουν αναπαραγωγική σχέση μεταξύ τους Κοινή περιοχή Κοινό είδος Ικανότητα αναπαραγωγής Στις περισσότερες περιπτώσεις είναι συνδεδεμένος με μία γεωγραφική ενότητα Για παράδειγμα, η τραχεία πεύκη της Θάσου 3
Γενετική πληθυσμών Ο κλάδος της Γενετικής που ερευνά την κληρονομούμενη (γενετική) ποικιλότητα και τις μεταβολές της στο χώρο και το χρόνο Είναι εκ φύσεως στενά συνδεδεμένη με τη θεωρία της εξέλιξης των ειδών Η θεωρία ερευνά και εξηγεί τις κληρονομούμενες μεταβολές των ειδών και των πληθυσμών, που δημιουργούν νέα είδη 4
Γενετική πληθυσμών Θεωρητική και πειραματική επιστήμη Πειραματική επιστήμη Περιγραφή των επιπέδων της γενετικής ποικιλότητας στους πληθυσμούς Θεωρητική επιστήμη Προβλέπει τη μεταβολή της ποικιλότητας στο μέλλον και την επίδρασης των εξελικτικών δυνάμεων σε αυτήν Ιδιαίτερη εφαρμογή σε φυσικούς πληθυσμούς 5
Γενετική δεξαμενή Η γενετική σύσταση ενός πληθυσμού, το σύνολο δηλαδή της γενετικής του πληροφορίας, λέγεται και γενετική (ή γονιδιακή) δεξαμενή (gene pool) του πληθυσμού Παίζει μεγάλο ρόλο στην εξέλιξή του και την προσαρμογή του σε νέα περιβάλλοντα 6
Γενετική ποικιλότητα Πως μετράμε τη γενετική ποικιλότητα; Κάθε άτομο ενός πληθυσμού έχει ένα γενότυπο σε κάθε γονιδιακή θέση Κάθε γενότυπος έχει δύο αλληλόμορφα Μετρούμε τη συχνότητα εμφάνισης των γενοτύπων και των αλληλομόρφων σε ένα δείγμα ενός πληθυσμού 7
Συχνότητες γενοτύπων Ο αριθμός των γενοτύπων ιδίου τύπου ενός πληθυσμού, διαιρούμενος με το συνολικό αριθμό γενοτύπων του πληθυσμού είναι η συχνότητα του γενότυπου αυτού στον πληθυσμό Η συχνότητα του γενότυπου ΑχΑψ (Ρχψ), Ρχψ = Νχψ / Ν 8
Συχνότητες αλληλομόρφων Ο αριθμός των αλληλομόρφων ιδίου τύπου ενός πληθυσμού, διαιρούμενος με το συνολικό αριθμό των αλληλομόρφων του πληθυσμού Ο αριθμός των αλληλομόρφων είναι διπλάσιος του αριθμού των γενοτύπων του πληθυσμού Η συχνότητα των αλληλομόρφων προκύπτει από τη συχνότητα των γενοτύπων ως εξής: Ρχ = Ρχχ + ½ Σ[Ρχψ], όπου ψ είναι κάθε αλληλόμορφο διαφορετικό του χ 9
Γενότυπο ς Παρατήρησ η Υπολογισμό ς Συχνότητα Α1Α1 3 3/20 0,15 Α2Α2 5 5/20 0,25 Α1Α2 4 4/20 0,20 Α1Α3 0 0/20 0,00 Α2Α3 4 4/20 0,20 Α3Α3 4 4/20 0,20 10
Αλληλόμορφο Παρατήρησ η Υπολογισμός Συχνότητα Α1 10 10/40 0,25 Α2 18 18/40 0,45 Α3 12 12/40 0,30 Αλληλόμορφο Υπολογισμός Συχνότητα Α1 0,15 + ½(0,20+0,00) = 0,25 0,25 Α2 0,25 + ½(0,20+0,20) = 0,45 0,45 Α3 0,20 + ½(0,00+0,20) = 0,30 11 0,30
Ετεροζυγωτία Ετεροζυγωτία ενός οργανισμού Η αναλογία των ετεροζυγωτών γονιδιακών του θέσεων ως προς το σύνολο του γενώματος Ετεροζυγωτία ενός πληθυσμού Σε μία γονιδιακή θέση είναι η αναλογία των ετεροζυγωτών γενοτύπων ως προς το σύνολο των ατόμων ενός πληθυσμού Ποια είναι η ετεροζυγωτία του πληθυσμού στο προηγούμενο παράδειγμα; 12
PGI στο Cupressus sempervirens Να υπολογιστούν: Οι συχνότητες γενοτύπων Οι συχνότητες αλληλομόρφων Η ετεροζυγωτία του δείγματος 13
Υπολογισμός ετεροζυγωτίας σε δύο διαφορετικά είδη Είδος Γονιδιακός δείκτης Ετεροζυγωτί α Populus tremuloides Ισοένζυμα 0,19 RFLPs 0,21 Ισοένζυμα 0,07 RFLPs 0,12 Populus grandidentata 14
Συχνότητες απλοτύπων Απλότυποι: γενότυποι χλωροπλαστικού ή μιτοχονδριακού DNA Μονογονική κληρονόμηση Απλοειδία Συχνότητα απλότυπου χ είναι ο αριθμός των ατόμων που φέρουν τον χ προς το σύνολο των ατόμων ενός πληθυσμού Pχ = Ν χ / Ν 15
ccmp7 στη Fagus sylvatica Ανάλυση μικροδορυφόρων σε 24 δέντρα του πληθυσμού οξιάς της Δαδιάς έδωσαν τους απλότυπους: 146bps: 147bps: 151bps: 152bps: 153bps: 154bps: 156bps: 4 8 1 5 1 1 1 δέντρα δέντρα δέντρο δέντρα δέντρο δέντρο δέντρο Να υπολογιστούν οι συχνότητες των απλοτύπων 16
Δείγμα και αλληλόμορφα Οι εκτιμήσεις αυτές βασίζονται πάνω σε δείγματα από τους πληθυσμούς Υπάρχει πάντα η πιθανότητα να μην έχουμε αντιπροσωπευτικό δείγμα και να κάνουμε σφάλματα ως προς τις εκτιμήσεις μας Το πιο κοινό σφάλμα είναι η απώλεια της καταγραφής ενός σπάνιου αλληλομόρφου Σημαντικό για διεξαγωγή γενετικών ερευνών + για κάθε δική μας παρέμβαση με επιλογή και μεταφορά φυτευτικού υλικού Π.χ. διαδικασίες συλλογής σπόρων και φυτωρίων 17
Απώλεια αλληλομόρφων Η πιθανότητα παρουσίας (ΠΠ) ενός αλληλομόρφου με συχνότητα μεγαλύτερη ή ίση προς μια συχνότητα (α), τουλάχιστον μία φορά σε δείγμα μεγέθους (Ν). Ν α 50 100 125 150 175 200 225 250 300 ΠΠ = 0,99 0,10 0,07 0,06 0,05 0,045 0,039 0,034 0,031 0,027 ΠΠ = 0,95 0,10 0,06 0,05 0,04 0,035 0,031 0,028 0,026 0,022 18
Σημασία σωστού δείγματος Ο σωστός τρόπος σχεδιασμού ενός πειράματος ή μιας παρέμβασης πρέπει να περιλαμβάνει και την παράμετρο του αριθμού του δείγματος σε σχέση με τη συχνότητα των αλληλομόρφων στα γονίδια ενός πληθυσμού Η μείωση του δείγματος επιφέρει απώλεια των σπάνιων αλληλομόρφων σε όλες τις γονιδιακές θέσεις του οργανισμού Η απώλεια αυτή αφορά και γονίδια που είναι σημαντικά για τη μακροπρόθεσμη επιβίωση του πληθυσμού κάτω από ένα μεταβαλλόμενο περιβάλλον 19
Αριθμός αλληλομόρφων Η πιο απλή μέτρηση ποικιλότητας είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων σε έναν πληθυσμό Αριθμός αλληλομόρφων (n) Απλή απαρίθμηση των παρατηρούμενων αλληλομόρφων, ανεξαρτήτως συχνότητας σε μια γονιδιακή θέση Αν απαριθμήσουμε τους γενότυπους έχουμε τον αριθμό γενοτύπων Αντίστοιχα μετρούμε και τον αριθμό των απλοτύπων 20
PGI στο κυπαρίσσι: Σάμος Πόσα αλληλόμορφα υπάρχουν σε αυτό το δείγμα; 21
Λειτουργικός αριθμός αλληλομόρφων Για να βρούμε τον αριθμό των αλληλομόρφων που είναι σχετικά συχνά στον πληθυσμό χρησιμοποιούμε το λειτουργικό αριθμό αλληλομόρφων (ne): 1 n e= ( ) 2 pi 22
PGI στο κυπαρίσσι: Σάμος Ποιος είναι ο λειτουργικός αριθμός των αλληλομόρφων; 23
Ποικιλότητα Παράγωγο του λειτουργικού αριθμού των αλληλομόρφων είναι ένα μέγεθος που χρησιμοποιείται συχνότατα στις γενετικές έρευνες Λέγεται γονιδιακή διασπορά ή αναμενόμενη ετεροζυγωτία (κάτω από συνθήκες ισορροπίας) ή ποικιλότητα Συμβολίζεται για συντομία με HHW Είναι η πιθανότητα δύο τυχαία αλληλόμορφα ενός δείγματος να είναι διαφορετικά HHW =1 2 pi 24
PGI στο κυπαρίσσι: Σάμος Υπολογίστε το δείκτη ποικιλότητας HHW 25
Ποικιλότητα εντός πληθυσμών p1 P2 p3 n ne 1.00 0.00 0.00 1 1.00 HHW 0,00 0.90 0.10 0.00 2 1.22 0,18 0.60 0.40 0.00 2 1.92 0,48 0.50 0.50 0.00 2 2.00 0,50 0.50 0.45 0.05 3 2.20 0,55 0.90 0.05 0.05 3 1.23 0,19 0.80 0.15 0.05 3 1.50 0,33 0.40 0.30 0.30 3 2.94 0,66 0.34 0.33 0.33 3 3.00 0,67 26
Μεσογειακοί πληθυσμοί ελάτης Γαλλία Μέσος αριθμός αλληλομόρφ 2,29 ων Μέση τιμή HHW 0,283 Ιταλία 2,84 0,326 Κορσική 2,79 0,347 Σαρδηνία 2,39 0,301 Πληθυσμοί Ποιος πληθυσμός έχει τα περισσότερα αλληλόμορφα; Ποιος πληθυσμός έχει τα περισσότερα συχνά αλληλόμορφα; Ποιος πληθυσμός έχει τα περισσότερα σπάνια 27 αλληλόμορφα;
Argania spinosa στο Μαρόκο Tizint Μέσος αριθμός αλληλομόρφ 2,44 ων Μέση τιμή HHW 0,314 Argana 1,78 0,258 Ademine 2,22 0,333 Ait Baha 1,89 0,273 Πληθυσμοί Ποιος πληθυσμός έχει τα περισσότερα αλληλόμορφα; Ποιος πληθυσμός έχει τα περισσότερα συχνά αλληλόμορφα; Ποιος πληθυσμός έχει τα περισσότερα σπάνια 28 αλληλόμορφα;
Γενετική απόσταση Η διαφορά στη γενετική σύσταση ανάμεσα σε δύο πληθυσμούς μετριέται από τη γενετική απόσταση Πολλές διαφορετικές μέθοδοι μέτρησης Μία απλή: το μισό του συνόλου των απολύτων τιμών των διαφορών ανάμεσα στις συχνότητες των αλληλομόρφων δύο πληθυσμών 1 d 0 pi pi 2 29
Γενετική απόσταση p1 p2 p1 p2 d0 1,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,90 0,10 1,00 0,00 0,10 0,50 0,50 1,00 0,00 0,50 0,40 0,60 0,60 0,40 0,20 0,00 1,00 1,00 0,00 1,00 30
Απλότυποι οξιάς στη Ροδόπη 145b p 146b p 147b p 148b p 149b p 150b p 151b p Ελατιά 0.00 0.04 0.00 0.92 0.04 0.00 0.00 Χαϊντο ύ 0.04 0.22 0.09 0.26 0.00 0.39 0.00 Εχίνος 0.00 0.76 0.00 0.00 0.00 0.20 0.04 Ποια είναι η γενετική απόσταση μεταξύ των πληθυσμών; Ποιος πληθυσμός είναι γενετικά πιο συγγενής στην Ελατιά; 31
Κυπαρίσσι - ισοένζυμα Πληθυσμ οί Ασκύφου (Κρήτη) Ασκύφου (Κρήτη) 0.000 Αράδενα (Κρήτη) 0.142 0.000 Ζωγράφο υ (Αττική) Αλεποχώ ρι (Αχαΐα) 0.257 0.259 0.000 0.267 0.270 0.161 Αράδενα (Κρήτη) Ζωγράφο υ (Αττική) Αλεποχώρ ι (Αχαΐα) 0.000 32
Κυπαρίσσι - ισοένζυμα Δενδρόγραμμα UPGMA 33
Απλότυποι ccmp7 στη Fagus sylvatica Ελατιά 145 146 Χαϊντού Εχίνος 1 1 147 148 23 149 1 150 5 Παπίκιο Δαδιά 1 19 8 4 2 1 8 6 1 3 1 9 151 5 10 1 1 1 152 5 153 1 1 154 1 156 1 Να υπολογιστεί ο αριθμός των απλοτύπων και η ποικιλότητα των πληθυσμών της οξιάς στη Ροδόπη Σύνολο 25 23 25 24 34 24
Αναπαραγωγικό σύστημα Τα αλληλόμορφα των γενοτύπων χωρίζονται και μοιράζονται στους γαμέτες κατά την αναπαραγωγή Οι ζυγώτες και η νέα γενιά ενός πληθυσμού σχηματίζονται από τη συνεύρεση των γαμετών O τρόπος διασποράς και συνάντησης των γαμετών καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τη μετάδοση της ποικιλότητας από τη μία γενιά στην άλλη 35
Τυχαία αναπαραγωγή Όταν όλοι οι γαμέτες έχουν την ίδια πιθανότητα να ενωθούν μεταξύ τους, τότε έχουμε τυχαία αναπαραγωγή Στην περίπτωση αυτή οι συχνότητες των αλληλομόρφων ενός πληθυσμού δεν μεταβάλλονται στην επόμενη γενιά Κάθε απόκλιση από την τυχαιότητα κατά την αναπαραγωγή αλλάζει τις συχνότητες των αλληλομόρφων στην επόμενη γενιά 36
Συχνότητες αλληλομόρφων για τους γενότυπους AA, Aa, aa Ας υποθέσουμε έναν θεωρητικό πληθυσμό με δύο αλληλόμορφα και τρεις γενότυπους Η συχνότητα του «A» σε έναν πληθυσμό συμβολίζεται με «p» p = ΡAA + ½ ΡAa Η συχνότητα του «a» σε έναν πληθυσμό συμβολίζεται με «q» q = Ρaa + ½ ΡAa p+q=1 37
Πληθυσμοί ισορροπίας Θεωρούμε για πειραματικούς λόγους έναν πληθυσμό που δεν αλλάζει με το πέρασμα του χρόνου, αλλά παραμένει σταθερός Στόχος η μελέτη των παραγόντων που προκαλούν μεταβολές στις γενετικές δομές των πληθυσμών Ο πληθυσμός, του οποίου οι γενετικές δομές δεν μεταβάλλονται από γενιά σε γενιά λέγεται πληθυσμός ισορροπίας 38
Προϋποθέσεις πληθυσμών ισορροπίας 1. 2. 3. 4. Άπειρο μέγεθος Τυχαίες διασταυρώσεις Αναπαραγωγή σε διακριτές γενιές Ίδιες συχνότητες αλληλομόρφων σε αρσενικούς και θηλυκούς γαμέτες 5. Να μην εμφανίζονται μεταλλάξεις 6. Να μην υπάρχει ροή γονιδίων 7. Να μην υπάρχει φυσική επιλογή 39
Ιδιότητες πληθυσμών ισορροπίας Δύο βασικές ιδιότητες: i. Οι συχνότητες τόσο των γενοτύπων όσο και των αλληλομόρφων είναι συνάρτηση των συχνοτήτων των αλληλομόρφων της προηγούμενης γενιάς ii. Νόμος Hardy Weinberg (1908) Οι συχνότητες γενοτύπων και αλληλομόρφων παραμένουν σταθερές από γενιά σε γενιά, όσο ισχύουν οι παραπάνω συνθήκες Αν έστω και μία από αυτές μεταβληθεί, τότε χάνεται η ισορροπία 40
Hardy Weinberg Wilhelm Weinberg (1862 1937) Godfrey Harold Hardy (1877 1947) 41
Hardy Weinberg Hardy, G. H. (1908). "Mendelian proportions in a mixed population". Science 28: 49 50. Weinberg, W. (1908). "Über den Nachweis der Verebung beim Menschen". Jahreshefte des Vereins für vaterländische Naturkunde in Württemberg 64: 368 382. Castle, W. E. (1903). The laws of Galton and Mendel and some laws governing race improvement by selection. Proc. Amer. Acad. Arts Sci.. 35: 233 242. 42
Γύρη A A p p a q AA p2 Aa pq Aa pq aa q2 Ωάρια a q 43
Νόμος Hardy Weinberg Πιθανότητα ομοζυγωτού απογόνου AA Σε έναν πληθυσμό γαμετών, η πιθανότητα ότι τόσο τα ωάρια όσο και οι γυρεόκοκκοι περιέχουν το αλληλόμορφο «A» είναι p x p = p2 Πιθανότητα ομοζυγωτού απογόνου aa Σε έναν πληθυσμό γαμετών, η πιθανότητα ότι τόσο τα ωάρια όσο και οι γυρεόκοκκοι περιέχουν το αλληλόμορφο «a» είναι q x q = q2 Πιθανότητα ετεροζυγωτού απογόνου Aa Σε έναν πληθυσμό γαμετών, η πιθανότητα ότι τα ωάρια και οι γυρεόκοκκοι περιέχουν διαφορετικά αλληλόμορφα είναι (p x q) + (q x p) = 2 pq 44
Νόμος Hardy Weinberg p2 + 2pq + q2 = 1 45
Έλεγχος ισορροπίας Για να είναι ένας πληθυσμός σε ισορροπία πρέπει να ισχύει ο νόμος Hardy Weinberg Οι συχνότητες των γενοτύπων που παρατηρούμε, πρέπει να είναι ίση με τη συχνότητα των γενοτύπων που αναμένουμε από την εξίσωση p2 + 2pq + q2 Από τις συχνότητες των γενοτύπων βρίσκουμε τα «p» και «q»: Ελέγχουμε αν p2 = παρατηρούμενη συχνότητα AA q2 = παρατηρούμενη συχνότητα aa 2pq = παρατηρούμενη συχνότητα Aa 46
Hardy Weinberg για πολλά αλληλόμορφα Ο νόμος των Hardy Weinberg ισχύει και στην περίπτωση που έχουμε 3 αλληλόμορφα (A, B, και C) με συχνότητες p, q, και r: (p + q + r) 2qr + r2 2 = p2 + 2pq + q2 + 2pr + Για 4 αλληλόμορφα (A, B, C, και D) με συχνότητες p, q, r, and s αντίστοιχα είναι: (p + q + r + s) 2 = p2 + 2pq + q2 + 2pr + 2qr + r2 + 2ps + 2qs + 2rs + s2 47
PGI στο κυπαρίσσι: Σάμος Ο πληθυσμός αυτός βρίσκεται σε ισορροπία; 48
Πληθυσμός 1 Πληθυσμός 2 Πληθυσμός 3 ΡAA ΡAa Ρaa 0.3 0.2 0.1 0.0 0.2 0.4 0.7 0.6 0.5 Για κάθε πληθυσμό, οι συχνότητες των αλληλομόρφων είναι Πληθυσμός 1 p = 0.3 q = 0.7 Πληθυσμός 2 p = 0.2 + ½(0.2) = 0.3 q = 0.6 + ½(0.2) = 0.7 Πληθυσμός 3 p = 0.1 + ½(0.4) = 0.3 q = 0.5 + ½ (0.4) = 0.7 Ποιος πληθυσμός είναι πιο κοντά στην ισορροπία; Μόνο ο πληθυσμός 3 βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας επειδή ισχύει ο νόμος Hardy Weinberg: p2 + 2pq + q2 = 1 (0.3)2 + 2 (0.3) (0.7) + (0.7)2 = 1 0.09 + 0.42 + 0.49 = 1 49
Αναμενόμενη ετεροζυγωτία Αφού για κάθε ομοζυγωτό γενότυπο 2 ισχύειp = p 2 P =q AA aa Τότε για το σύνολο των ομοζυγωτών γενοτύπων σε P μία γονιδιακή θέση = p ii 2 i ισχύει: Το σύνολο των ομοζυγωτών γενοτύπων ενός πληθυσμού ισορροπίας σε ένα Hom= p2 γονιδιακό τόπο θα είναι i 50
Αναμενόμενη ετεροζυγωτία Το σύνολο των ετεροζυγωτών γενοτύπων ενός πληθυσμού ισορροπίας σε ένα γονιδιακό τόπο θα είναι Het =1 p i 2 Αυτό ισούται με το δείκτη HHW (ετεροζυγωτία Hardy-Weinberg), δηλαδή το ποσοστό των ετεροζυγωτών γενοτύπων που αναμένονται σε έναν πληθυσμό ισορροπίας (αναμενόμενη ετεροζυγωτία) H =1 p HW i 2 51
Αναμενόμενη ετεροζυγωτία Σε έναν πληθυσμό ισορροπίας ισχύει δηλαδή H HW =Het Η σύγκριση της αναμενόμενης με την πραγματική ετεροζυγωτία είναι ένας δείκτης ελέγχου αν ένας πληθυσμός βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας ή όχι 52
Χρήση πληθυσμών ισορροπίας Οι φυσικοί πληθυσμοί σπανίως βρίσκονται σε ισορροπία Οι αναμενόμενες και οι πραγματικές τιμές συγκρίνονται με το τεστ χ2 Αν η απόκλιση είναι σημαντική, τότε ερευνούμε ποιες από τις συνθήκες του πληθυσμού ισορροπίας δεν ισχύουν Κύριο αντικείμενο της γενετικής πληθυσμών Ερμηνεία των παραμέτρων που επηρεάζουν τις συχνότητες των αλληλομόρφων 53
Αλλαγή της γενετικής ποικιλότητας στο χώρο Διαφορές μεταξύ δύο πληθυσμών σαλιγκαριών σε δύο γειτονικά αστικά τετράγωνα 54
Αλλαγή της γενετικής ποικιλότητας στο χώρο Διαφορές πληθυσμών μυδιών στην ανατολική ακτή των ΗΠΑ 55
Αλλαγή της γενετικής ποικιλότητας στο χώρο Διαφορές πληθυσμών οξιάς στη Ροδόπη 56
Αλλαγή της γενετικής ποικιλότητας στο χρόνο Συχνότητα ενός αλληλομόρφου σε πληθυσμούς Microtus orchogaster 57