Οικολογία και Προστασία Δασικών Οικοσυστημάτων Πληθυσμιακή και Εξελικτική Γενετική Γενετική Ποικιλότητα Εργαστήριο Δασικής Γενετικής Αριστοτέλης Χ. Παπαγεωργίου
apapage@fmenr.duth.gr 25520 41155 6946108940 2
Ποικιλότητα 3
Βελτίωση φυτών και ζώων 4
Βελτίωση φυτών και ζώων 5
Γενετική ποικιλότητα Οι άνθρωποι ήξεραν ότι υπάρχουν διαφορές ανάμεσα στα άτομα των πληθυσμών που κληρονομούνται Ομοιότητες ανάμεσα σε συγγενείς Διασταυρώσεις καλλιεργούμενων φυτών και αγροτικών ζώων Μετά την εμφάνιση της μενδελικής γενετικής και της θεωρίας του Δαρβίνου μπόρεσε να συντεθεί η λεγόμενη «νεο-δαρβινική» θεωρία και να προσεγγιστεί η ποικιλότητα μέσα και ανάμεσα στους πληθυσμούς 6
Προσέγγιση γενετικής ποικιλότητας Αν μπορούσαμε να έχουμε την αλληλουχία του DNA των οργανισμών που μελετάμε θα μπορούσαμε να εντοπίσουμε τις διαφορές μεταξύ των ατόμων Τεχνικά είναι δυνατό Αντιστοιχία αλληλουχιών με γνωστά γονίδια Πιο σημαντικό θα ήταν να μπορούσαμε να εντοπίσουμε διαφορές στα γονίδια που έχουν εξελικτική σημασία Προσαρμοστικά γονίδια 7
Πολυμορφισμός Η εμφάνιση πάνω από μία μορφή γονιδίου (αλληλόμορφο) σε ένα γονιδιακό τόπο Η ύπαρξη γενετικής ποικιλότητας 8
Τύποι πολυμορφισμού R.C. Lewontin Lewontin 1984 Ελάσσων πολυμορφισμός (minor) Ένα αλληλόμορφο κυριαρχεί σε έναν πληθυσμό και όλα τα άλλα είναι σπάνια Αποτέλεσμα κατευθυντήριας επιλογής Μείζων πολυμορφισμός (major) Δύο αλληλόμορφα κυριαρχούν σε έναν πληθυσμό και τα άλλα είναι σπάνια Αποτέλεσμα επιλογής ισορροπίας 9
Ελάσσων πολυμορφισμός NDH-A 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1 2 3 Alleles Row 3 Cupressus sempervirens - Ρόδος 10
Μείζων πολυμορφισμός NDH-A 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1 2 3 Alleles frequency Cupressus sempervirens - Αράδενα 11
Πληθυσμός Σύνολο ομοειδών αλληλοαναπαραγόμενων οργανισμών Ένα είδος (?) Μία περιοχή (?) Πιθανή αναπαραγωγή Ο πληθυσμός έχει στο σύνολό του μία γενετική δεξαμενή (gene pool) με συγκεκριμένη γενετική δομή 12
Τυχαία αναπαραγωγή Ένας πληθυσμός με δύο γένη και ενήλικα (σεξουαλικά ώριμα) άτομα Όταν όλες οι δυνατές διασταυρώσεις είναι ισοπίθανες τότε έχουμε πληθυσμό τυχαίας αναπαραγωγής Η πιθανότητα διασταύρωσης μεταξύ ατόμων με συγκεκριμένο γενότυπο ή φαινότυπο ισούται με το γινόμενο των συχνοτήτων τους στον πληθυσμό Πανμειξία (πανμεικτικός πληθυσμός) 13
1908 Yule 1902, Castle 1903, Pearson 1904 Wilhelm Weinberg (1862 1937) Godfrey Harold Hardy (1877 1947) 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. 14
Νόμος Hardy-Weinberg Η πιο βασική σχέση στη γενετική πληθυσμών Επιτρέπει την περιγραφή της γενετικής σύστασης ενός πληθυσμού με τις συχνότητες αλληλομόρφων και όχι μόνο των γενοτύπων Όταν έχουμε τυχαία αναπαραγωγή, μετά από μία γενιά μπορούμε να υπολογίσουμε τις συχνότητες των γενοτύπων ενός πληθυσμού σαν διωνυμική συνάρτηση των συχνοτήτων των αλληλομόρφων Αν απουσιάζουν άλλοι εξελικτικοί παράγοντες (π.χ. επιλογή), και η αναπαραγωγή παραμείνει τυχαία, τότε οι συχνότητες αυτές δεν μεταβάλλονται από γενιά σε γενιά 15
Υποθετικό μοντέλο Ας υποθέσουμε έναν θεωρητικό πληθυσμό με δύο αλληλόμορφα και τρεις γενότυπους Η συχνότητα του «A1» σε έναν πληθυσμό συμβολίζεται με «p» Η συχνότητα του «Α2» σε έναν πληθυσμό συμβολίζεται με «q» p + q = 1 Υποθέτουμε ότι οι αρσενικοί και οι θηλυκοί γαμέτες ενώνονται τυχαία Οι συχνότητες των απογόνων είναι το γινόμενο των συχνοτήτων των δύο γαμετών τους 16
Συχνότητες γενοτύπων Ομοζυγωτοί (P, Q) για A1A1 και A2A2 αντίστοιχα Ετεροζυγωτοί (Η) για A1A2 A1 p Γύρη A1 p Α2 q A1A 1 p 2 A1Α 2 pq P=p 2 Q=q 2 H=2pq Α2 q Ωάρια A1Α 2 pq A2Α 2 q 2 17
Αναλογίες Hardy Weinberg Υπολογίζουμε τις συχνότητες των απογόνων όλων των δυνατών διασταυρώσεων που μπορούν να προκύψουν Ανεξάρτητα από τις αρχικές συχνότητες των αλληλομόρφων σε έναν πληθυσμό, αν διατηρείται η τυχαία αναπαραγωγή, τότε ισχύει πάντα ό νόμος HW και οι συχνότητες των αλληλομόρφων παραμένουν σταθερές Αποκλίσεις από το νόμο HW έχουμε όταν κάποια από τις προϋποθέσεις δεν ισχύει (π.χ. επιλογή, ροή γονιδίων, μη τυχαία αναπαραγωγή) Ακόμα και αν δεν ισχύουν αυτές οι προϋποθέσεις μπορεί να παρατηρούμε συχνότητες HW 18
Προσομοίωση με excel Σπάνια αλληλόμορφα 19
p 2 + 2pq + q 2 = 1 20
Υπολογισμός συχνοτήτων Συχνότητες γενοτύπων P= N 11 N H = N 12 N Q= N 22 N Συχνότητες αλληλομόρφων N 11 1 N 12 2 p= N q= N 22 1 2 N 12 N 21
Πάνω από 2 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) 2 = p 2 + 2pq + q 2 + 2pr + 2qr + r 2 Για 4 αλληλόμορφα (A, B, C, και D) με συχνότητες p, q, r, and s αντίστοιχα είναι: (p + q + r + s) 2 = p 2 + 2pq + q 2 + 2pr + 2qr + r 2 + 2ps + 2qs + 2rs + s 2 Γενικά ισχύει: 2 P ii = p i P ij =2p i p j 22
Υπολογισμός ετεροζυγωτίας Πολλαπλά αλληλόμορφα: αναμενόμενη ετεροζυγωτία σε συνθήκες HW n H E =1 i=1 Μέγιστη αναμενόμενη ετεροζυγωτία όταν όλα τα αλληλόμορφα είναι ίδιας συχνότητας, οπότε n H E =1 i=1 p i 2 1/n 2 = n 1 n 23
Συχνότητες αλληλομόρφων Υπολογισμός συχνοτήτων αλληλομόρφων σε γονιδιακούς τόπους με περισσότερα από δύο αλληλόμορφα p i = N ii 1 2 j=1 N n N ij 24
Παρατηρούμενη ετεροζυγωτία Από τις συχνότητες των γενοτύπων ενός πληθυσμού μπορεί να υπολογιστεί απευθείας η παρατηρούμενη ετεροζυγωτία H O = N ij N 25
Δείκτης ομομειξίας F Ένας τρόπος ελέγχου της συνθήκης HW είναι η σύγκριση μεταξύ της παρατηρούμενης και αναμενόμενης ετεροζυγωτίας Δείκτης ομομειξίας F Όταν F>0 τότε υπάρχει περίσσια F= ομοζυγωτών H E H O H στον πληθυσμό, ενώ όταν F<0 περίσσια E ετεροζυγωτών = 2 pq H O 2 pq 26
Ετεροζυγωτία Η πιο συνηθισμένη μέτρηση ποικιλότητας Η αναμενόμενη ετεροζυγωτία μετράται από τη σχέση: Συχνότητα ετεροζυγωτών ατόμων σε έναν πληθυσμό ισορροπίας HW Πιθανότητα τυχαίας εύρεσης δύο ανόμοιων αλληλομόρφων στον πληθυσμό O Nei ονομάζει το μέγεθος αυτό gene diversity και το διορθώνει με βάση το μέγεθος του δείγματος H E = 2N n H E =1 n 2N 1 1 i=1 p i 2 i=1 p i 2 27
Παρατηρούμενη ετεροζυγωτία Για πληθυσμούς διπλοειδών οργανισμών, όπου η ισχύς του νόμου HW δεν είναι δεδομένη υπολογίζουμε την παρατηρούμενη ή πραγματική ετεροζυγωτία Η συχνότητα ετεροζυγωτών γενοτύπων ενός πληθυσμού n H O = P ij i j Στις πιο πολλές περιπτώσεις υπολογίζονται και οι δύο ετεροζυγωτίες (αναμενόμενη και παρατηρούμενη) Τα δύο αυτά μεγέθη είναι πολύ διαφορετικά. Το πρώτο μετρά ποικιλότητα σε επίπεδο αλληλομόρφων, ενώ το άλλο σε επίπεδο γενοτύπων 28
Γενετικές αποστάσεις Μέθοδοι σύγκρισης της γενετικής ποικιλότητας ανάμεσα σε δύο πληθυσμούς (διαφοροποίησης) Πολλαπλές γενετικές αποστάσεις ανάλογα με το δείκτη που χρησιμοποιείται και το βιολογικό μοντέλο που ο κάθε ένας προϋποθέτει Επιλογή απόστασης ανάλογα με την περίπτωση και το δείκτη που χρησιμοποιούμε Συχνά χρησιμοποιούνται ειδικά προγράμματα για τον υπολογισμό των μεγεθών αυτών 29
Γενετική απόσταση Nei Πιο συχνά χρησιμοποιούμενη απόσταση Πρώτα βρίσκουμε την ομοιότητα Όπου n J xy = i=1 Απόσταση n p i x p i y J x = i=1 p i x D= ln I 2 J y = n i=1 2 p i y I= J xy J x J y 1/2 Για πολλά loci υπολογίζουμε τους μέσους όρους των μεγεθών και την απόσταση ' D ' = ln I ' ' J xy J x J y ' 30
Μια πιο απλή απόσταση Gregorius 1 d0 pi pi 2 Ιδιαίτερα χρήσιμη στα ισοένζυμα Δεν χρησιμοποιείται ευρέως Μπορεί να δώσει και άλλα μεγέθη διαφοροποίησης 31