Komponenty fenotypové variance Genetické parametry doc. Ing. Tomáš Urban, Ph.D. urban@mendelu.cz Genetika kvantitativních znaků Koncept genetiky kvantitativních znaků Fenotypová hodnota (P) vlastnosti je výsledkem působení genotypové hodnoty (G) a prostředí (E). Z grafů popisujících kvantitativní vlastnosti vyplývá hlavní koncept kvantitativní genetiky (~ příčiny způsobující variabilitu vlastnosti), který navrhl Johannsen již v roce 1909: • fenotyp = genetické faktory + faktory prostředí • P = G + E Změřená fenotypová hodnota (P) je výsledkem působení genotypové hodnoty organizmu (G) a prostředí (E), ve kterém vznikla. Genetika kvantitativních znaků 26/03/2012 1 Genetické faktory Aditivní působení genů Jedná se o nejrozšířenější model dědičnosti u kvantitativních vlastností. Každá alela má specifickou metrickou hodnotu, která je přičítána ve výsledném fenotypu. Tato složka genotypu je příčinou podobnosti mezi příbuznými jedinci a je nejvíce ovlivňována fenotypovou selekcí. Neaditivní působení genů • Dominantní genové působení - Dominantní homozygot a heterozygot přispívají stejnou mírou na fenotyp (intragenové interakce). Patří sem i neúplná dominance, superdominance a kodominance. • Genové interakce - Interakce dvou či více genů na různých lokusech kontrolujících jednu vlastnost (epistáze) se stejným nebo rozdílným účinkem (intergenové interakce). Čím více je genů pro vlastnost, tím více je možných interakcí. Aditivní model dědičnosti Každý fenotyp vyplývá z působení různého počtu genů s aditivním působením různého počtu alel. Na obrázku níže je zobrazen případ kvalitativní vlastnosti, podmíněné různým počtem genů, bez vlivu prostředí! Čím více genů se účastní determinace vlastnosti, tím více se dosahuje kontinuálnosti (snižuje se rozdílnost diskrétních tříd). Vliv počtu genů na fenotypovou variabilitu: Genetika kvantitativních znaků 26/03/2012 2 Různá úroveň variability prostředí ovlivňuje (modifikuje) rozdílně stejné genotypy Komponenty fenotypové variance kde: s2 P = celková fenotypová variance segregující populace s2 G = genetická (genotypová) variance, která přispívá k celkové fenotypové varianci s2 E = příspěvek prostředí k celkové fenotypové varianci s2 GE = variance interakce genotyp-prostředí 2 covGE = korelace mezi genotypy a prostředím P = G + E Genetika kvantitativních znaků 26/03/2012 3 Fenotypová hodnota (P) vlastnosti je výsledkem působení genotypové hodnoty (G) a odchylkami prostředí (E). Rozdíly mezi fenotypovými hodnotami jsou výsledkem působení genotypu a prostředí a lze sledovat jejich variabilitu. Genotypová hodnota je fenotyp určený daným genotypem zprůměrovaným napříč prostředími. Může být tedy změřena jen u reprodukujících se klonů nebo vysoce inbredních linií v různých prostředích. Genotypová hodnota je však významný nástroj pro outbrední populace pohlavně se rozmnožujících druhů. Faktory prostředí jsou samy o sobě velmi "kontinuální" - teplota, délka slunečního svitu, kvalita krmiva, ... Prostředí zapříčiňuje fenotypové hodnoty tvořené rozdílnými jedinci se stejným genotypem a spojitě se odchyluje od genotypové hodnoty (G). Tyto odchylky jsou zahrnuty do E. Odchylka prostředí je rozdíl mezi fenotypovou a genotypovou hodnotou způsobenou prostředím. Obrázek níže ilustruje hypotetické odchylky prostředí (E) na fenotypech determinovaných genotypem AA BB. Odchylky jsou kontinuální s normální distribucí kolem průměru 0. Tyto odchylky dávají stejnou distribuci jako fenotypové hodnoty (P), kromě toho, že průměr je 11, který je roven hodnotě G genotypu AA BB. Rozdíly mezi fenotypovými hodnotami jsou výsledkem působení genotypu a prostředí a lze sledovat jejich variabilitu. Genetika kvantitativních znaků 26/03/2012 4 • Celková variance (změřená) je fenotypová variance, nebo variance fenotypových hodnot a je dána součtem dílčích variancí podle jejich zdroje. Komponenty variance a hodnoty jejichž varianci měří jsou: ~ variance genotypových hodnot a variance odchylek prostředí. U populací platí ΣP = ΣG + ΣE a je-li součet prostřeďových odchylek roven nule, pak průměrná fenotypová hodnota populace je rovna průměrné genotypové hodnotě a je konstantní, pokud nedochází k mutacím. Jedná-li se o populaci klonů, F1 nebo čisté linie, pak je jakákoliv fenotypová variance způsobena jen vlivy rozdílného prostředí (negeneticky): Neznamená to však, že vlastnost není geneticky determinována! Základní myšlenka ve studiu variance je její základní vlastnost, totiž že ji lze rozdělovat do dílčích složek (komponent) variance, jejichž prostý součet je roven celkové varianci. Toho se využívá v genetice, kdy se z celkové fenotypová variance odhaduje různými statistickými metodami (základní metodou je analýza variance, ale používají se lineární modely s pevnými a náhodnými efekty – BLUP, REML) variance genetická (genotypová). Genetická variance se využívá k odhadům dalších genetických parametrů (např. koeficient dědivosti, genetické korelace). Relativní velikost těchto komponent určují genetické vlastnosti populace, např. stupeň podobnosti mezi příbuznými jedinci a také to, jaká bude odezva na selekci (genetický zisk). Genetika kvantitativních znaků 26/03/2012 5 I. Komponenty genetické variance Genetická variance popsaná frekvencemi alel u kvantitativních vlastností je jen teoretická. V praxi se nezaměřujeme na frekvence nebo efekty genů, neboť nejsou známé. V popisu genetické variance se zaměřujeme pouze na odhad komponent. Všechny komponenty genetické variance jsou závislé na frekvencích alel, proto jsou jakékoliv jejich odhady platné pouze pro populaci, v které byly odhadovány. Genetická (genotypová) variance musí být dále členěna podle dělení genotypové hodnoty do plemenné hodnoty (aditivní), odchylky dominance a odchylky interakce mezi geny: Genetika kvantitativních znaků 26/03/2012 6 Aditivní genetická variance (s2 A) A alela = 4 a alela = 2 B alela = 6 b alela = 3 AABB genotyp má výnos = 20 (4+4+6+6) AaBb genotyp má výnos = 15 (4+2+6+3) • Aditivní genetická variance, která je variancí plemenné hodnoty, je významná komponenta, protože ta hlavně způsobuje podobnost mezi příbuznými jedinci a tedy určuje pozorované genotypové vlastnosti populace a velikost genetického zisku při selekci. Je to zároveň jediná komponenta, která může být přímo odhadována z pozorovaných dat v populaci. • Velmi důležité je tedy rozčlenění fenotypové variance na aditivní a neaditivní genetickou varianci a varianci prostředí. Velikost odhadu aditivní variance závisí na stupni podobnosti příbuzných jedinců.  Dominantní genetická variance (s2 D) - intraalelické interakce AaBb = 20 AABB = 20  Variance genetické interakce (s2 I) - interalelické interakce Variance interakce Jestliže genotypy na různých lokusech vykazují nějaký typ epistatické interakce, pak vzniká variance způsobená touto interakcí. Mohou spolu interagovat dva lokusy či více lokusů, nebo dvě plemenné hodnoty mezi sebou (A x A ~ aditivní a aditivní lokus), interakce mezi plemennou hodnotou jednoho lokusu a odchylkou dominance druhého lokusu (A x D), interakce mezi dvěma odchylkami dominance dává varianci D x D, atd. Interakce mezi lokusy kvantitativních vlastností jsou prokázané, ale není snadné odhadnout množství variance, kterou generují. U jednoduchých experimentů je variance interakce začleněna do komponenty dominance a označují se obě jako neaditivní genetická variance. Genetika kvantitativních znaků 26/03/2012 7 Celková genetická variance: II. Další komponenty VP VE – rozdílní jedinci se budou setkávat s různým prostředí během svého vývoje - někdy genotyp a prostředí spolu korelují > mění se společně ve stejném směru VP = VG + VE + covGxE Př: farmář má stádo dojných krav. Některé dojí více než jiné. Farmář dává více a lepší krmivo kravám, které dojí více > Lepší genotypy mají lepší prostředí než horší genotypy a to zvyšuje VP -> genotyp může interagovat s prostředím různými způsoby Genetika kvantitativních znaků 26/03/2012 8 Možné typy efektů prostředí (teplota) a fenotypu (výška rostlin) genotype G2 je vždy lepší než G1, bez ohledu na teplotu VP = VG variance je způsobena jen prostředím –2 genotypy jsou identické oba genotypy a prostředí působí aditivním efektem na fenotyp (korelace) G1 je lepší při nízkých teplotách, ale G2 je lepší při vysokých > příklad interakce GxE VP = VG + VE + covGxE + VGxE Tento typ interakce může vyplývat z toho, že potomci nejsou podobní svým rodičům (pokud se vyvíjí v různých prostředích) II. Komponenty variance prostředí - varianci způsobenou stálými vlivy (permanentními) s2 Ep - varianci způsobenou dočasně působícími vlivy (temporální) s2 Et  Jestliže větší část z celkové variance je genetická, pak změnu hodnoty vlastnosti můžeme dosáhnout selekcí  Jestliže variance prostředí je velká, pak změnu hodnoty vlastnosti dosáhneme optimalizací prostředí Genetika kvantitativních znaků 26/03/2012 9 Proč předpokládáme, že komplexní vlastnost může mít genetický základ? Protože je podobnost mezi příbuznými jedinci pro tu vlastnost! Chtěl kvantifikovat tyto rodinné podobnosti. Založil biometrický přístup ke genetice (regrese a korelace) Francis Galton F.R.S. 1822-1911 Genetika kvantitativních znaků 26/03/2012 10 Vymyslel korelační koeficient (r) Možno měřit stupeň asociace pro proměnnou mezi 2 příbuznými jedinci Pro vlastnost, která je kompletně geneticky determinovaná, s malým nebo bez vlivu prostředí, se očekává, že r bude stejný jako koeficient příbuznosti Příklady koeficientů příbuznosti 1. stupeň (rodič, sourozenci, dítě) ½ 2. Stupeň (strýc, neteř, vnuk) ¼ 3 . stupeň (bratranec, pra-) 1/8 4 . stupeň (bratranec z 2. kolena) 1/16 Koeficient příbuznosti vyjadřuje podíl genů sdílených 2 jedinci Genetika kvantitativních znaků 26/03/2012 11