Genetika kvantitativních znaků - vlastnosti a principy doc. Ing. Tomáš Urban, Ph.D. urban@mendelu.cz Genetika kvantitativních znaků 14.3.2011 Genetika kvantitativních vlastností MendelistickMendelistickáá genetikagenetika – dědičnost (přenos GI) vlastností s diskrétními hodnotami fenotypu – individuální efekt genu GenetikaGenetika ppopulacopulacíí kvalitativnkvalitativníích znakch znakůů – Model genetiky populací – 1 gen a 2 alely – změny v alelových frekvencích genů u vlastností s diskrétními hodnotami – nutné určit, kterou alelu jedinec nese Mnoho vlastností však nemá diskrétní hodnoty, nýbrž kontinuální variabilitu,  genetika populací kvantitativních vlastností kvantitativnkvantitativníí genetikagenetika Genetika kvantitativních znaků 14/03/2011 1 Vlastnosti organizmů Diskontinuální / diskrétní (nespojité) vlastnosti – výrazně definované fenotypové kategorie – vlastnosti určované 1 nebo několika geny (major gen), bez vlivu prostředí → Mendelistický polymorfismus → většina fenotypové variability KVALITATIVNKVALITATIVNÍÍ VLASTNOSTVLASTNOST Kontinuální / spojité / komplexní vlastnosti – nevýrazně definované kategorie fenotypů – rozdělení fenotypů vykazuje více nebo méně kontinuální variabilitu (lze zjistit jen rozmezí hodnot pro vlastnost) – vlastnosti jsou určovány geny na mnoha lokusech → polygennpolygenníí dděědidiččnostnost – geny kvantitativních vlastností (QTL)  polygeny – většina genů má malý, ale aditivní účinek ((minorminor genygeny)) – vlivy prostprostřřededíí na projev a distribuci fenotypů – každý gen je děděn mendelisticky, ale nelze vidět jeho efekt  KVANTITATIVNKVANTITATIVNÍÍ VLASTNOSTVLASTNOST Hodnocení genetické variability u kvantitativních vlastností Klasický přístup – jsou změřeny fenotypy jedinců se známými příbuzenskými vztahy a genetické a prostřeďové zdroje fenotypové variance jsou určeny statistickými metodamy (ANOVA, ML,…) Příbuzní jedinci sdílejí určitý podíl společných genů (to je kvantifikováno koeficientem příbuznosti rIJ) Molekulárně statistický přístup – nejnovější technika mapování lokusů kvantitativních vlastností (QTL – quantitative trait loci) Hledají se sekvence DNA pomocí genetických markerů po celém genomu a jejich statistické asociace k fenotypové variabilitě, popř. expresi (opět má slovo statistika!) Genetika kvantitativních znaků 14/03/2011 2 Příklady kvantitativních vlastností VVlastnostilastnosti s plynulou kontinus plynulou kontinuáálnlníí promproměěnlivostnlivostíí - výnos obilí, rezistence k nemocem u rostlin i živočichů, přírůstek hmotnosti, výška v kohoutku, obsah tuku v mase, IQ, schopnost naučit se, krevní tlak, … VVlastnostilastnosti prahovprahovéé – projev nemoci (schizofrenie, cukrovka), výskyt dvojčat VVlastnostilastnosti meristickmeristickéé - počet selat ve vrhu, počet zrn v klase Genetika kvantitativních znaků 14/03/2011 3 Základní otázky Základní zásada QG: viditelná variabilita je způsobena kombinací působení mnoha genů a faktorů prostředí Nebo: fenotyp = genetika + prostředí Základní otázky (a odpovědi?): 1. Jaká je genetická podstata kvantitativních vlastností? (jsou podmíněny normálními geny podléhající Mendelovým pravidlům). 2. Jak můžeme odlišit efekty genů od efektů prostředí? (např. inbreedingem lze eliminovat genetickou varianci). 3. Jak můžeme předpovědět a kontrolovat výsledky z křížení? (např. umělou selekcí). Kvantitativní geny jsou mendelovské geny V r. 1909 Herman Nilsson-Ehle (Švédsko) provedl řadu experimentů s barvou zrna pšenice. Pšenice je hexaploidní, výsledek 3 různých druhů tvořící stabilního hybrida, allopolyploid. Jsou zde 3 podobné, ale trochu odlišné genomy pšenice, nazvané A, B a D. Každý genom má jeden gen, který ovlivňuje barvu zrna, a každý tento lokus má alelu pro červenou barvu a alelu pro bílou barvu. Červené alely: A, B a D, a bílé alely a, b a d. Dědičnost těchto alel je neúplná dominance, nebo „aditivita“. Množství červeného pigmentu v zrnu je úměrné přítomnému počtu červených alel, od 0 do 6. Genetika kvantitativních znaků 14/03/2011 4 Segregace a volná kombinovatelnosti tří genů aabbcc = 0 AABBCC = 6 Průměr = 3 Variance = 1,5 Genetika kvantitativních znaků 14/03/2011 5 Přechod od kvality ke kvantitě Př.: 2 geny, A & B kontrolují vlastnost Alela A = 4 jednotky B = 2 jednotky a = 2 jednotky b = 1 jednotka 72aaBb 61aabb 121AABB 101AAbb 94AaBb 81aaBB 82Aabb 102AaBB 112AABb Metrická hodnotaG. poměr v F2Genotyp Genetika kvantitativních znaků 14/03/2011 6 Grafické znázornění příkladu 0 1 2 3 4 5 6 aabb 7 aaBb 8 Aabb aaBB 9 AaBb 10 Aabb AaBB 11 AABb 12 AABB Frekvence Vlivy prostředí na kvantitativní vlastnosti 28,425,723,11988 55,471,060,31991 53,565,153,11995 48,862,958,21993 AgassizSewardRoughrider Rok 47,555,947,91986 41,549,046,61992 60,566,561,61989 39,853,241,71994 0001990 59,572,563,81987 Výnos genotypů (bu/akr) Poznámka … Všechny rostliny v r. 1990 nepřezimovaly. Genetika kvantitativních znaků 14/03/2011 7 Modifikující vliv prostředí DDůůleležžitý koncept v kvantitativnitý koncept v kvantitativníí geneticegenetice Fenotyp = genetickFenotyp = genetickéé faktory + faktory prostfaktory + faktory prostřřededíí PP = G + E= G + E Variabilita – variance (VP) Pro pochopení heritability je třeba znát více kvantitativní variabilitu. Co to je, přesně, co pozorujeme, když studujeme kvantitativní vlastnost? Variabilitu mezi fenotypy! -> fenotypová variance (VP) je základní informace používaná v kvantitativní genetice Fenotyp vyplývá z genotypu interagujícího s prostředím Lze říci, že VP je způsobena variancí genů a variancí prostředí: VVPP = V= VGG + V+ VEE Genetika kvantitativních znaků 14/03/2011 8 Studované otázky QG Jaký je podíl genetických faktorů a prostředí na fenotypu? Kolika geny je ovlivněna vlastnost? Je příspěvek genů stejný? Jak alely na různých lokusech interagují: aditivně? epistaticky? Jak rychle se změní vlastnost pod selekcí? Kontinuální variabilita normální distribuce • Problémy kontinuálních vlastností lze rozdělit do dvou typů: – většina je ovlivněna alelami na dvou a více lokusech a segregace jakéhokoliv genu v rodokmenu je zastřena segregací ostatních genů ovlivňujících vlastnost, – většina kontinuálních vlastností jsou ovlivněny faktory prostředí stejně jako geny a genetická segregace je zastřena prostřeďovými efekty. • Pokud se u mnoha kontinuálních vlastností fenotypy seskupí do vhodných intervalů a zobrazen pomocí pruhového grafu, pak bude distribuce fenotypů vyhovovat normálnímu rozložení, které je symetrické, s křivkou zvonovitého tvaru. Hladká křivka je normálním rozložením, které nejlépe odpovídá datům. – Rovnice normální křivky (funkci hustoty pravděpodobnosti) je: 22 2)( 2 1 )(       x ef x Genetika kvantitativních znaků 14/03/2011 9 Popis kvantitativních vlastností Tyto vlastnosti nemohou být analyzovány tradičními technikami mendelistické genetiky (~ genetikou populací kvalitativnkvalitativnííchch znaků) Statistické analýzy n x n xxx x in    .....21 n xxxxxx s n X 22 2 2 12 )(.....)()(   V n xxi     2 )( 2 xx ss  Graf distribuce fenotypové proměnlivosti Variance je změřená variabilita distribuce  1  zahrnuje 68,3 %  2  zahrnuje 95,5 %  3  zahrnuje 99,7 % Genetika kvantitativních znaků 14/03/2011 10 Příklad: Délka ouška u kukuřice 22,,2522521212,,8989FF22 1,51912,12F1 1,8876,63P2 0,81716,80P1 sx (cm)Průměr (cm)Generace Genetika kvantitativních znaků 14/03/2011 11 • závěry: – průměrná délka ouška linie P2 je menší, sx je větší  je zde větší variabilita než v linii s delšími oušky P1 – variabilita v populaci F1 je v důsledku variability prostředí – průměr vlastnosti v F1 populaci je střední mezi oběma rodiči a průměr F2 populace je přibližně stejný jako v F1 – F2 populace má větší variabilitu než F1 – extrémní hodnoty distribuce by měly být rovny hodnotám rodičů, protože část populace bude mít jejich genotyp 22,,2522521212,,8989FF22 1,51912,12F1 1,8876,63P2 0,81716,80P1 sx (cm)Průměr (cm)Generace Analýza variance - ANOVA Příklad jednofaktorové analýzy variance hodnocení fenotypové proměnlivosti snášky u slepic jednoho chovu. Na základě jednofaktorové analýzy variance chceme zjistit, zda existují průkazné rozdíly ve snášce u potomstva po čtyřech kohoutech, chceme znát, zda genetický vliv otec byl průkazný nebo neprůkazný. Ve sledování jsou čtyři skupiny slepic a v každé je potomstvo po jednom ze čtyř kohoutů, jedná se tedy o skupiny polosourozenců. Genetika kvantitativních znaků 14/03/2011 12 Model jednofaktorové analýzy variance: yij =  + ai + eij yij – užitkovost j-tého potomka po i-tém otci  – obecný průměr populace ai – vliv i-tého otce eij – ostatní nahodilé vlivy Genetika kvantitativních znaků 14/03/2011 13 Tabulka analýzy variance: Genetika kvantitativních znaků 14/03/2011 14