Include materiale dal capitolo 20.6 (pag 984-1000), vol III, Barcaccia e Falcinelli

Analisi QTL

Interpretazione della distribuzione continua dei caratteri nelle popolazioni naturali e sperimentali

La distribuzione continua dei fenotipi per un carattere quantitativo può prodursi sia a causa della segregazione di più loci aventi ciascuno un effetto moderato sul fenotipo, sia a causa dall’azione dell’ambiente. Nella maggior parte dei casi PER ENTRAMBE LE CAUSE!

Un solo locus segregante e forte effetto ambientale

Tre loci segreganti, no effetto ambientale

Figura 20.35 Effetto combinato del genotipo e dell’ambiente nella determinazione del fenotipo di una popolazione (Modificata da: D.L. Hartl (1996) Essential Genetics. Jones and Bartlett Ed., Boston). Pag 984, Vol III, Barcaccia e Falcinelli.

Interpretazione della distribuzione continua dei caratteri nelle popolazioni naturali e sperimentali

La variabilita’ di un carattere quantitativo e’ attribuibile alla segregazione contemporanea, secondo le leggi Mendeliane, di diversi geni (chiamati poligeni).

Gli effetti dei singoli poligeni sono piccoli e simili tra loro. Possono presentarsi relazioni di additività o dominanza tra alleli e interazioni epistatiche tra loci. L’effetto della segregazione di un singolo gene sul valore del carattere è dello stesso ordine di grandezza, oppure inferiore, alle modifiche causate dai fattori ambientali.

Teoria polifattoriale e poligeni

Incrocio tra cultivars

×

4

3

2

1

0

5

7 8 9 10 11 12 13

Freq

uenz

a

Valore del carattere (es. peso del frutto)

Produzione ed analisi delle progenie

Caratteri quantitativi e QTL

•  QTL: Quantitative trait locus/loci, sono il modo corrente di definire i poligeni, con la differenza che non si presume che i QTL abbiano fra loro il medesimo effetto sul fenotipo.

•  I QTL possono essere mappati sui cromosomi

•  A ciascun QTL è possibile attribuire un valore d ell ’effett o sul fenotipo in un ipotetico individuo della popolazione

•  I QTL non sono individuati come tali ma sono definiti sulla base di marcatori genetici (per lo più molecolari) mappati in precedenza sui cromosomi

•  L’effetto e la posizione dei QTL sono definiti combinando dati sui genotipi e sui fenotipi degli individui di popolazioni sperimentali o naturali, con opportune procedure statistiche, chiamate analisi QTL.

•  La posizione e l ’ effetto dei QTL sono spesso esperimento- specifici.

QTL

1

QTL

2

QTL

3 Q

TL4

LG1 LG2 LG3 LG4 LGn

Caratteri quantitativi e QTL

Procedura che consente di individuare i loci (QTL) responsabili del controllo genetico di un carattere quantitativo. A seguito dell’analisi, per ogni QTL si ottengono informazioni su: •  la posizione di mappa

•  l’effetto sul carattere quantitativo

•  la proporzione della variazione fenotipica della popolazione che è causata dalla segregazione al QTL

Si basa su:

•  popolazione di individui (es. derivati da un incrocio sperimentale a partire da due linee pure, oppure una popolazione naturale, ecc.)

•  mappa genetica di marcatori molecolari (del DNA) ottenuta dalla genotipizzazione della medesima popolazione

•  dati fenotipici (misura del carattere quantitativo) raccolti dagli individui della popolazione

•  elaborazione statistica

Analisi QTL

Carattere quantitativo

Identificazione dei QTL

Clonaggio di QTL

Applicazioni per il miglioramento genetico

Selezione assistita da marcatori molecolari

Ingegneria genetica

Analisi QTL e miglioramento genetico

Analisi QTL al singolo marcatore

Non è possibile definire con accuratezza

•  l’effetto del QTL sui valori fenotipici

•  la sua distanza dal marcatore.

m-f - P = 0.40 -

Mappa Effetto Significatività %Variabilità (cM)

m-a - P = 0.15 -

m-b **

c.  ** d.  *

m-e *

+ 5.0 cm P = 0.01 4.1

+ 5.1 cm, P = 0.01 + 4.7 cm, P = 0.03

4.7 4.2

+ 3.1 cm, P = 0.05 2.0

Esempio di risultato dopo un’ipotetica analisi QTL al singolo marcatore, per l’altezza della pianta

20

18

5

15

12 Probabile posizione del QTL

Analisi QTL al singolo marcatore

Non localizza con sufficiente precisione la posizione piu’ probabile di un QTL nell’intervallo tra due marcatori, inoltre non distingue tra un QTL ad effetto debole vicino al marcatore da un QTL ad effetto forte lontano dal marcatore.

E’ sufficientemente informativa con una mappa genetica molto ricca di marcatori.

E’ sostituita da tecniche più potenti, quali l’ analisi QTL per intervalli quando l’obiettivo è una scansione piu’ accurata della mappa genetica alla ricerca di QTL.

Analisi QTL al singolo marcatore

Procedura analitica molto complessa che stima ad intervalli costanti (es. ogni cM) la probabilita’ di presenza di un QTL lungo tutta la mappa genetica, incluso anche l’intervallo tra ogni coppia di marcatori contigui.

Metodo LOD (Logarithm of Odds: logaritmo delle probabilita’) Si utilizzano equazioni di massima verosimiglianza risolte in funzione dei seguenti parametri: posizione del QTL (r) nell’intervallo in analisi, media (m) fenotipica dei genotipi al QTL (QQ, qq ed eventualmente Qq), effetto del QTL e varianza fenotipica. L’equazione è risolta per posizioni della mappa (es. ogni cM), sia nell’ipotesi di presenza del QTL sia che non vi sia il QTL. Le due probabilità sono quindi confrontate. Il risultato è in genere visualizzato come mappa (o profilo) del valore LOD lungo la mappa genetica.

LOD = log10 (Probabilita’ presenza QTL / Probabilita’ assenza QTL

Analisi QTL per intervalli

Figura 20.48a Localizzazione di QTL in base ad analisi di mappaggio ad intervalli. pag 995, Vol III, Barcaccia e Falcinelli

Analisi QTL per intervalli

Figura 20.4 Numero di QTL individuati per singolo carattere analizzato. Pag.996, Vol III, Barc. e Falc.

Numero di QTL individuati in 48 studi di analisi QTL per epoca di fioritura in mais. Da: Salvi et al 2009, Maydica

Quanti QTL?

Proporzione della varianza fenotipica (PVE) spiegata da singoli QTL in 48 studi di analisi QTL in incroci bi-parentali per epoca di fioritura in mais. Da Salvi et al., 2009, Maydica.

Quanta variabilità spiegata dai QTL?

Analisi al singolo marcatore Analisi per intervalli

•  marcatore associato al carattere (per una particolare Prob) ma non si sa la posiziine accurata del QTL

•  a (effetto genico del QTL)

•  r2 (proporzione della variazione fenotipica spiegata da QTL)

•  posizione sul cromosoma (in cM) associato al carattere (per un particolare LOD)

•  a

• r2

•  Effetto del QTL (dei due alleli!) in altri background genetici? •  Disponibilità dell’allele per fare MAS? •  Natura molecolare del QTL (per fare ingegneria genetica)?

Analisi QTL: cosa otteniamo e cosa no