Struttura genetica delle popolazioni Struttura genetica delle popolazioni di piante da ortodi piante da orto

Gamia

Cose da sapere per cominciare

Impollinazione

PartenocarpiaApirenia

Tubetto pollinico

Gametofito

Sacco embrionale

Doppia fecondazioneSinergidi

Micropilo

XeniaEndosperma Nucleo secondario

Fecondazione

Nucleo spermatico

Nucleo vegetativo

Anfimissia: riproduzione sessuale per seme

L’embrione si forma in seguito ad autofecondazione

L’embrione si forma in seguito a fecondazione incrociata

Riproduzione nelle angiosperme

Apomissia: riproduzione asessuale per seme

L’embrione si forma da una cellula 2n, somatica o di un sacco embrionale non ridotto

Autogamia

Allogamia

Propagazione vegetativa: moltiplicazione per parti vegetative

Struttura genetica

100

Percentuali di allogamia

Lorenzetti et al. 1994

93

90

90

5-35

1-6

2-5

0-4

70

70

70

100

100

100

1

100

Struttura genetica

Strutture fioraliSpecie prevalentemente autogame

Cleistogamia: fecondazione a fiore chiuso, è un meccanismo frequente di autofecondazione (es. orzo)

Peperone e melanzana hanno il fiore pendulo, il polline cade spontaneamente sullo stigma, mentre si trova all'interno della colonna staminale

Nel pomodoro lo stilo si allunga all'interno del cono formato dagli

stami e viene autoimpollinato.Se però è molto lungo puo' fuoriuscire prima della fecondazione e venire impollinato da pronubi

LattugaLo stilo si allunga all'interno della colonna staminale, raccogliendo il polline. L'avvenuta fecondazione è rivelata dall'incurvamento dei due lobi dello stigma

Struttura genetica

Fiore di lattuga si vedono gli stigmi già ricoperti di polline ma non ancora incurvati verso il basso. Lavando via il polline si può emasculare, per poi realizzare l'incrocio

portando il polline del partner prescelto

Struttura genetica

Dioicismo

I fiori maschili e femminili sono portati da individui diversiNelle angiosperme la separazione dei sessi è rara (circa il 5% delle specie)

Strutture fioraliSpecie prevalentemente allogame

Determinazione del sessoCromosomica (spinacio ?)Genetica (asparago)

Struttura genetica

Con fiori monoclini intervengono meccanismi genetici per l'esclusione o riduzione dell'autofecondazione

Strutture fioraliSpecie prevalentemente allogame

Dicogamia

Sfasamento dell’antesi maschile e femminile

Proterandria: il polline viene rilasciato prima che lo stigma sia ricettivo. Si trova nelle Apiacee (carota)

Proteroginia: il polline viene rilasciato quando lo stigma non è più ricettivo

Struttura genetica

IncompatibilitàIncapacità di produrre seme pur in presenza di gameti maschili e femminili funzionali

Auto/alloincompatibilità

Presente in almeno 300 specie, specialmente di Asteracee, Brassicacee,

Graminacee, Rosacee e Solanacee

Incompatibilità di tipo

Monofattoriale Bi/multifattoriale Gametofitico Sporofitico

Beta + +

Brassica + +

Cichorium intybus + +

Lycopersicum + +

Rapahanus + +

Solanum + +

In piante da orto

Struttura genetica

L'incompatibilità può essere classificata in tre modi

Omomorfica o EteromorficaI fiori compatibili hanno morfologia diversa

Monofattoriale o BifattorialeUno o più loci coinvolti

Gametofitica o SporofiticaDeterminata dal genotipo del polline o da quello della pianta da cui proviene

Struttura genetica

Sistema sporofitico

Omomorfico/Eteromorfico Monofattoriale/bi(multi)fattorialeDiallelico/MultiallelicoDominanza/Codominanza tra alleli

Ssss

Sistema sporofitico-gametofitico: Cacao

Sistema post-zigotico poligenico: Autosterilità

Fiore a spillo Fiore a spazzola

Es. PetuniaSporofiticoMonofattorialeEteromorfico

S1 S2

Sistema gametofitico

Monofattoriale/BifattorialeMultiallelico

Le unioni posso essere: Compatibili S1S2 x S3S4 -> S1S3, S1S4, S2S3, S2S4

Semicompatibili S1S2 x S1S3 -> S1S3, S2S3

Incompatibili S1S2 x S1S2 -> non si ottiene seme

Es. TrifoliumGametofiticoMonofattorialeOmomorfico

Incompatibilità

Struttura genetica

CaratteristicaCaratteristicaSistemaSistema

SporofiticoSporofitico GametofiticoGametofitico

Reazione controllata da Genotipo parentale Genotipo del polline

Momento dell’azione del

gene S nel pollinePre-meiotico (?) Post-meiotico

Tipo di polline Tricellulare Bicellulare

Tipo di stigma Asciutto Umido

Sito e momento della

reazione

Superficie stigmatica -

PrecoceStilo - Tardivo

Localizzazione dei fattori

maschiliSuperficie dell’esina Tubetto pollinico

Localizzazione dei fattori

femminiliStigma Stilo

RispostaCallosio nel polline e

nelle papille stigmatiche

Callosio nel tubetto;

scoppio dell’apice

Caratteristiche dei due sistemi principali di autoincompatibilità

Struttura genetica

Incompatibilità

S1S2 x S3S4 -> S1S3, S1S4, S2S3, S2S4

SS11SS33 S S11SS4 4 S S22SS3 3 S S22SS44

SS11SS3 3 XX O O O O OO

SS11SS4 4 OO XX O OO O

SS22SS3 3 O OO O XX OO

SS22SS4 4 O O O OO O XX

Con 4 alleli4/16 degli incroci sono incompatibili

Come si individua l’esistenza di un sistema di autoincomaptibilità ?

Il numero di incroci incompatibili in una popolazione serve a valutare il numero di alleli

In una popolazione con n alleli n/n2 degli incroci casuali sono incompatibili

Es. Sistema gametofitico monofattoriale

Incrocio diallelico tra F1

Struttura genetica

I sistemi più studiati

1. Crucifere (Brassica)

Sporofitico, monofattoriale, omomorfico

Risposta stigmatica precoce, inibizione della

germinazione del polline

2. Solanacee

(Nicotiana, Lycopersicum, Solanum)

Gametofitico, monofattoriale, omomorfico

Risposta stilare, lisi del tubetto pollinico

3. PapaveroGametofitico, monofattoriale, omomorfico

Risposta stigmatica, lisi del tubetto

pollinico

Struttura genetica

Incompatibilità

oleracea, campestris, ecc. - Sistema sporofitico, fino a 80 alleli

Componenti polliniche

SCR/SP11

Piccola proteina secreta ricca di cisteina.Si lega a SRK e SLG

PCP-A1 : Pollen Coat Protein. Interagisce con SLR e SLG

SLR-BP1,2 : SLR-binding proteins

Brassica

Componenti stigmatiche

SLG : S-locus Glycoprotein Glicoproteina secreta

SRK : S-locus Receptor Kinase Ha tre domini1. dominio extracellulare con alta omologia a SLG2. dominio transmembrana3. dominio kinasico

SLR1 : S-Locus Related protein

AquaporinAquaporin

Se avviene il riconoscimento tra le

componenti polliniche e stigmatiche

del sistema viene bloccata la

secrezione di acqua dello stigma che

permette la germinazione del polline

Incompatibilità

Petunia, Lycopersicum, Nicotiana, Solanum

Solanacee

Lycopersicum peruvianum

Combinazione incompatibile Combinazione compatibile

Tubetti pollinici che si allungano nello stilo, colorati con blu di anilina, che rivela, attraverso la fluorescenza agli UV, il

callosio presente nelle pareti del tubetto

Struttura genetica

Incompatibilità

Rnasi S1

Rnasi S3

Inibitoredell’Rnasi

Fattore P1

Fattore P2

Stilo S1S3

Tubetto pollinico P1

Incrocio incompatibile

Stilo S1S3

Tubetto pollinico P2

Incrocio compatibile

Trasportatoredi membrana

Struttura genetica

Incompatibilità

L'autofertilità del pomodoro si è originata per mutazione di geni del pathway, selezionati durante la domesticazione

Spesso l'autocompatibilità si trova nelle piante coltivate, mentre i progenitori selvatici sono autoincompatibili:

Offre la sicurezza di produrre semi e frutti anche quando le condizioni ambientali sono sfavorevoli

all'impollinazione e allegagione

Struttura genetica

Incompatibilità

Incompatibilità e miglioramento genetico

In negativo:impedisce l’ottenimento di linee inbred

ma in qualche caso può essere “aggirata” es. “bud pollination” in Brassica oleracea

In positivo:Può essere sfruttata per fare incroci controllati

(ma spesso non è “affidabile”)

Struttura genetica

Verifica sperimentale del sistema riproduttivo

La conoscenza delle quote di incrocio e autofecondazionenelle condizioni in cuiopera il breeder è molto importante

Struttura genetica

struttura genetica popolazione

metodi di miglioramento

tipi di varietà ottenibili

distanze di isolamento

�Dioicismo�Fiori diclini�Dicogamia�Fiori visitati da insetti�Polline portato dal vento

Dimostrano o suggeriscono prevalente allogamia

�Cleistogamia : Dimostra l’autogamia

1. Esame dei fiori e della biologia riproduttiva

La patata coltivata spesso non produce fiori...

Isolamento di piante o infiorescenze singole

Non si produce seme: Allogamia

Si produce seme

L’esame delle progenie può darci ulteriori

informazioni: Depressione da

inbreeding??

Si: preval. allogamia

No: preval. autogamia

2. Determinazione delle percentuali di allo- e autogamia

Struttura genetica http://www.edor.se/photo-gallery.html

Determinazione delle percentuali di allo- e autogamia mediante marcatori genetici

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Vengono coltivati pochi genotipi omozigoti per un gene marcatore recessivo (che, ad es. determina assenza di antociani, plantule verdi) randomizzati in mezzo a genotipi omozigoti dominanti (presenza di antociani, plantule violacee)

Si raccoglie quindi il seme sulle piante omozigoti recessive La percentuale di plantule con antociani nelle loro progenie fornirà una stima della percentuale di incrocio

Sono necessarie prove ripetute per più anni consecutivi e in più ambienti

�Marcatori per caratteri dei semi (cotiledoni o endosperma) sono molto utili perché non è necessario allevare le progenie, grazie alla xenia

�Tra i marcatori per caratteri delle piante sono più utili quelli che si manifestano allo stadio di plantula (come la presenza/assenza di antociani) perché danno la risposta molto più presto di quelli che si manifestano in piante adulte (colore fiori ecc.)

�I marcatori molecolari si utilizzano allo stesso modo, ma bisogna trovare un allele raro !

Struttura genetica

6% 9% 8% 3%

plantule con antociani nelle progenie

Allogamia

media

6,5%

Struttura genetica delle popolazioni di piante

E’ determinata dal sistema riproduttivo e quindi è diversa per le specie a propagazione vegetativa, a riproduzione prevalentemente autogama e prevalentemente allogama

Incrocio -> Segregazione e ricombinazione

Mutazione spontanea o indotta - Mutazioni gemmarie

- Chimere- Colture in vitro e variazione somaclonale

Le varietà coltivate sono cloniLa selezione clonale ha il compito di mantenere il genotipo

Struttura genetica

Clonepopolazione di individui ottenuti a partire da un singolo individuo mediante propagazione vegetativa.

1. Specie a propagazione vegetativa

Come si genera nuova variabilità da sfruttare per il miglioramento genetico ?

Un individuo estratto da una popolazione di specie autogama dovrebbe dare origine, per autofecondazione, ad una linea pura, in teoria ...

2. Specie a riproduzione prevalentemente autogama

Quanti omozigoti diversi possono formarsi a partire da un idividuo eterozigote?

Aa

AA aa

Monoibrido

AaBb

AABB AAbb aaBB aabb

Diibrido Poliibrido (n loci)

2n possibili omozigoti

L'autofecondazione ripetuta porta all'omozigosi, quindi una popolazione di una specie strettamente autogama dovrebbe essere costituita da individui omozigoti a tutti i loci

Struttura genetica

La variabilità in una popolazione di specie autogama dovrebbe essere esclusivamente quella tra omozigoti diversi

1. Mutazioni spontanee

La loro frequenza in natura è compresa tra 10-5 e 10-6.

Quelle che interessano geni che controllano caratteri quantitativi non hanno un effetto fenotipico evidente, ma accumulandosi in periodi di tempo sufficientemente lunghi, generano variabilità genetica entro linee pure, in modo tale che la selezione al loro interno può essere efficace

Che cosa può determinare variazioni genetiche in una linea pura?

2. Incrocio naturale

Nessuna specie è autogama al 100% !

Se la quota di autofecondazione è s e quella di incrocio t = 1-s, dopo infinite generazioni la frequenza degli eterozigoti sarà pari a

2pq[2t/(2-s)]

Ad esempio con t=0,1 e p=q=0,5 la percentuale di eterozigoti si stabilizzerà al 9 %

Allard e Golden ripeterono gli esperimenti di Johannsen con la varietà di fagiolo Red Kidney ed ebbero un effetto significativo della selezione entro linea pura

Struttura genetica

in pratica ...

Vantaggio degli eterozigoti

Jain e Allard hanno determinato la fitness degli eterozigoti per alcuni geni qualitativi in confronto a quella degli omozigoti in una popolazione di orzo in cui la frequenza di incrocio naturale era pari al 2%

Locus

Fitness

Omozigote

dominanteEterozigote

Omozigote

recessivo

B/b 1,06 1 1,31

S/s 0,81 1 0,96

G/g 1,04 1 0,82

E/e 0,47 1 0,59

B1/b1 0,61 1 0,54

R/r 0,82 1 0,68

Bt/bt 0,96 1 1,06

Sh/sh 0,71 1 0,63

Struttura genetica

La fitness alta degli eterozigoti incrementa la variabilità delle popolazioni autogame

Struttura genetica

Autogamia, adattamento, evoluzione

� L’autogamia favorisce, nelle specie annuali, la produzione di seme, anche in condizioni sfavorevoli alla impollinazione incrociata

Es. Medicago annuali (come M. truncatula) sono autogame, mentre Medicago perenni sono allogame (come M. sativa)

Qualche considerazione

� Molte specie coltivate autogame derivano da progenitori selvatici a riproduzione allogama (es. Solanum): la domesticazione ha favorito la facilià di produrre frutti e semi garantita dalla autofecondazione

� L’autogamia stretta potrebbe compromettere l’adattamento a lungo termine

� L’incrocio occasionale, il vantaggio degli eterozigoti e la mutazione garantiscono il mantenimento di variabilità genetica indispensabile alla sopravvivenza della specie

Le popolazioni di queste specie sono comunità riproduttive di organismi sessuati a riproduzione incrociata che condividono un pool genico comune (Dobzhansky)

Le frequenze dei geni e dei genotipi si modificano nel tempo secondo quanto voluto dalla fitness dei singoli individui della popolazioneTali popolazioni vengono considerate comunemente in equilibrio Hardy-Weinberg

Struttura genetica

3. Specie a riproduzione prevalentemente allogama

E' raro che tutto questo si verifichi !

L'equilibrio HW sussiste nelle condizioni già note:

- popolazione numerosa- assenza di mutazioni differenziali- assenza di migrazione- assenza di selezione- unioni casuali

Costanza delle frequenze geniche

Inoltre, considerando l'insieme dei geni, l'equilibrio si raggiunge lentamente, specialmente per geni associati (v. squilibrio gametico e di linkage)

La struttura genetica delle popolazioni di piante allogame è complessa

Natura della variabilità delle specie allogame

Ecotipi

In ambienti diversi si differenziano gli ecotipi che si caratterizzano per le frequenze geniche e genotipiche

1. Variabilità tra popolazioni

Nota: Non confondiamo gli ecotipi con le varietà locali, o agroecotipi (in inglese land races) che si sono differenziati in coltivazione

(ne tratterete più avanti)

Quando la variazione nello spazio delle frequenze geniche e genotipiche è graduale e non dà origine ad ecotipi nettamente distinguibili si parla di variazione clinale, dovuta a cambiamenti graduali dell’ambiente e al flusso genico tra le popolazioni

Ecotipo ed ecocline

La distinzione dipende dalla densità geografica del campionamento che effettuiamo di una specie e dalla natura del territorio

In ampi territori pianeggianti …..

I caratteri che si prestano di piùa differenziare gli ecotipi sono quelli legati all'adattamento all'ambiente

�Entrata in riposo vegetativo in autunno

�Ripresa vegetativa in primavera

�L’epoca di fioritura e maturazione (precocità)

�La resistenza al freddo, al secco, all’umido...

In territori accidentati …..

Struttura genetica

Tutte le piante sono diverse tra loro e altamente eterozigotiA livello fenotipico però la variabilità non è sempre elevatissima

Infatti un fenotipo adattato può essere prodotto da combinazioni di geni diverse

2. Variabilità entro popolazioni

Ciò è dimostrato da ciò che avviene quando coltiviamo una popolazione di specie allogama in nuovo ambiente

Struttura genetica

Dopo alcune generazioni

Riduzione della variabilità fenotipica:

Ecotipizzazione

Grande variabilità fenotipica iniziale

Omogeneità fenotipica nell'ambiente di

adattamento

Spostamento in un nuovo abiente

La storia dell'erba medica Grimm

Dalla Sassonia al Minnesota a Cipro alla Gran Bretagna

Fattoria di Wendelin Grimm, Carver County, Minnesota, USA

La variabilità genetica di popolazioni allogame si può distinguere in libera, potenziale e criptica

Aa Bb Cc Dd….

AA BB CC DD ….

aa bb cc dd …..

Variabilità potenziale: è quella che non è manifesta a livello fenotipico ma è immagazzinata negli eterozigoti. Perché diventi libera sono necessarie segregazione e ricombinazione

Variabilità libera: è quella che si manifesta a livello fenotipico;dipende dalle differenze tra omozigoti per alleli diversi

Struttura genetica

Variabilità cripticaIl linkage in trans fa sì che la

variabilità potenziale rimanga “nascosta” finchè non si siano verificati tutti crossing-over necessari alla sua trasformazione in variabilità potenziale, prima, e poi in variabilità libera

A b C D e F G h I l

a B c d E f g H i L x x x x x x

A B C D E F G H I L

a b c d e f g h i l

a b c d e f g h i l

a b c d e f g h i l

A B C D E F G H I L

A B C D E F G H I L

Autogamia, allogamia ed evoluzione delle piante

Piante AutogamePiante AutogameAdattamento rapido all’ambiente nel breve periodo grazie alla fissazione dei tipi meglio adattati

Ridotta capacità di adattamento nel lungo periodoBassa flessibilità genetica

Piante AllogamePiante AllogameAdattamento rapido all’ambiente nel breve periodo può essere fornito dalla propagazione vegetativa

Massima capacità di adattamento nel lungo periodoAlta flessibilità genetica

Struttura genetica

Si ritiene che le piante autogame si siano evolute in particolari condizioni da piante ancestrali allogame

I meccanismi che in natura favoriscono l’allogamia sono più diffusi e più sofisticati di quelli che favoriscono l’autogamia

Nota: oggi sappiamo che l'adattamento può essere regolato anche da meccanismi epigenetici e questo ci fa riconsiderare le capacità adattative delle piante autogame nel breve periodo

Biologia riproduttiva, struttura genetica delle popolazioni e modelli varietali

ContinuaLorenzetti et al. Uomini e semi. Patron, 2013

Segue

Produzione di un ibrido di mais: emasculazione del portaseme

Il controllo dell'impollinazione nel miglioramento genetico

Struttura genetica

- Nel miglioramento genetico gli individui selezionati devono essere quasi sempre incrociati tra loro per ottenere la popolazione migliorata

- L'incrocio è il mezzo principale per creare nuove combinazioni di geni e di caratteri da cui selezionare quelle migliori- L'incrocio con uno stesso partner (tester) è un modo per confrontare il valore di diversi genotipi in selezione- L'autofecondazione controllata è necessaria per ottenere linee inbred

1. Autoimpollinazione controllata

- Nelle allogame può essere sufficiente isolare singoli fiori/infiorescenze/ piante- A volte dobbiamo intervenire: fiori diclini (es. mais, cucurbitacee) o fiori che “scattano“

- Nelle autogame (se non sono cleistogame) è prudente comunque isolare le piante o i fiori

Il controllo dell'impollinazione

Struttura genetica

Dobbiamo quindi escludere che avvengano autofecondazioni o incroci indesiderati: il polline è piccolo e vola! Da solo o trasportato dai pronubi

Struttura genetica

2. Incrocio intraspecifico

- E' necessario l'isolamento dei partner dagli altri individui

- Spesso è necessaria l'emasculazione o castrazione manuale/meccanica/ chimica/genetica del genitore femminile (portaseme)

- E' molto utile avere un marcatore genetico (dominante nell'impollinante o codominante) per distinguere le progenie da incrocio da quelle da autofecondazione

X

Es. Medicago sativa

Fiore giallo x violetto“ = “variegato“

http://www.edor.se/photo-gallery.html

Strutture mobili per isolamento e impollinazione controllata

Isolamento

Incrocio intraspecifico

Le tecniche per realizzare l'impollinazione controllata sono molto diverse a seconda della specie

Manuale, portando le antere o il polline raccolto sui fiori del partner maschile sullo stigma del portaseme (di solito emasculato)

Mediato da insetti pronubi allevati ad hoc o comprati dagli apicoltori

In cipolla si usano api o mosche Impollinazione manuale in zucchino

Peperonehttp://www.youtube.com/watch?v=rM9porsseQo&list=UUqyLv50NSDw9MHhtZ3OBrBw

Solanum parte Ihttp://www.youtube.com/watch?v=SQddcAiGBhE&list=UUqyLv50NSDw9MHhtZ3OBrBw

Solanum parte IIhttp://www.youtube.com/watch?v=DXSPYFgJiRQ&list=UUqyLv50NSDw9MHhtZ3OBrBw

Video University of Wisconsin-Madison sul miglioramento genetico http://plantbreeding.wisc.edu/educators/videos/

Cucurbitaceehttp://www.youtube.com/watch?v=V5a-coN2Xgg&list=UUqyLv50NSDw9MHhtZ3OBrBw

Impollinazione

Maschiosterilità

Mutazioni spontanee possono portare alla mancata formazione di polline funzionale

MaschiosterilitàcitoplasmaticaE' determinata da geni mitocondriali ed è quindiad eredità materna (quasi sempre)

MaschiosterilitàgeneticaE' determinata da geni nucleari

Struttura genetica

Maschiosterilità

Genetico-

citoplasmatica

E' una maschiosterilità citoplasmatica che può essere superata grazie a geni nucleari “restorer“

Struttura genetica

Struttura genetica

3. Incrocio interspecifico

E' importantissimo per utilizzare la diversità genetica presente nelle specie affini

In pomodoro, patata e altre specie geni di resistenza alle avversità si trovano moltospesso in specie selvatiche e non nel germoplasma coltivato, ad esempio:

Solanum pimpinellifolium

Solanum pureja

Lycopersicum peruvianum

Struttura genetica

La sterilità dell'ibrido spesso può essere superata mediante raddoppiamento cromosomico

Per far riuscire un incrocio interspecifico si possono usare trucchi come:

- utilizzare genotipi “adatti“- utilizzare una specie “ponte“- raddoppiare icromosomi (es. in patata, 2n=4x=48)- utilizzare genotipi autoincompatibili o maschiosterili come portaseme- Rimozione dello stigma- Mentor pollen

Per definizione gli incroci interspecifici, quando riescono, danno progenie sterili a causa di barriere pre- o post-zigotiche alla fertilità

Una fertilità anche bassissima dell'ibrido può permettere di fare il reincrocio con la specie coltivata

Se la specie è propagata vegetativamente l'ibrido può essere coltivato

Sterilità dell'ibrido

Sommario

La biologia della riproduzione è un vincolo per il breeder e determina i tipi di varietà che possono essere costituiti

L'autoincompatibilità, in particolare, è spesso un ostacolo per l'ottenimento di varietà omogenee

Le percentuali di auto e allogamia devono essere note per le specie, i genotipi e gli ambienti in cui si opera

Le strutture genetiche delle popolazioni autogame e allogame sono molto diverse: le prime sono composte da genotipi ad alto grado di omozigosi, le seconde da genotipi eterozigoti tutti diversi tra loro

Il controllo accurato dell'impollinazione è un requisito di ogni programma di

miglioramento genetico

L'incrocio interspecifico è una risorsa essenziale per attingere alla biodiversità naturale

Struttura genetica