Transcript Clase 2
UNIDAD TEMÁTICA 4 GENÉTICA CUANTITATIVA HEREDABILIDAD: Métodos de Estimación HEREDABILIDAD GDG = Hsa = VG VF Hse = VA VF VF variancia fenotípica o total VG variancia genética VA variancia aditiva o del valor reproductivo GDG = Hsa = VG VF VF = VA + VD + VI+ VE VF = VG + VE VG GDG = Hsa = VG VG + VE Si se cuenta con una población sin variabilidad genética como por ejemplo una F1 o una línea pura VG = 0 VG = VF - VE VF = VE Heredabilidad en sentido amplio (GDG o hSA) Puede Indica tomar valores entre 0 y 1 en que medida los efectos genéticos actúan en la manifestación de un carácter HEREDABILIDAD GDG = Hsa = VG VF Hse = VA VF VF variancia fenotípica o total VG variancia genética VA variancia aditiva o del valor reproductivo Hse = VA VF VF = VG + VE VG = VA + VD + VI VF = VA + VD + VI + VE h2 = Hse = VA VA + VD + VI + VE VF variancia fenotípica o total VA variancia aditiva o del valor reproductivo VD variancia de la dominancia VI variancia de la interacción VE variancia ambiental Heredabilidad en sentido estricto (Hse – h – h²) Puede tomar valores entre 0 y 1; nunca puede ser mayor que la hsa Es uno de los objetivos del estudio genético de los caracteres cuantitativos. Nos orienta para elegir el mejor método de mejoramiento y permite predecir la respuesta a la selección. Heredabilidad en sentido estricto (Hse – h – h²) Es un parámetro cuya estimación debe limitarse a una población y ambiente determinados. No es solo una propiedad del carácter. VA = 2 p q α2 VA = 2 p q [a + d (q – p)]2 VD = (2 p q d)2 Hse la podemos considerar como la Regresión del valor reproductivo con respecto al valor fenotípico (bAF) : h2 = bAF siendo bAF = COVAF VF Considerando F = A + R Desviaciones E, D y I A y R no correlacionados COVAF = VA bAF = VA = h2 VF Estimación de Heredabilidad Se recurre al grado de parecido entre parientes, característica básica en caracteres cuantitativos. • • Mediciones simples en la población El grado de parecido entre parientes permite estimar VA y con ella la heredabilidad • Estimación de Heredabilidad Para medir el grado de parecido entre parientes se particiona la VF o total en dos componentes • Variancia Entre grupos o familias: σ 2b o Vb Variancia Dentro grupos o familias: σ 2w o Vw Partición de la Variancia Fenotípica VF Entre grupos o familias: σ 2b o Vb Variancia de las medias de cada grupo, con respecto a la media de la población Dentro grupos o familias: σ 2w o Vw Variancia de los individuos alrededor de la media del grupo Estimación de Heredabilidad El parecido entre individuos emparentados puede verse como: Similitud de los mismos dentro del grupo o familias • Diferencias entre los individuos de grupos o familias distintas. • Partición de la Variancia Fenotípica Cuanto mayor sea la similitud dentro de los grupos mayor será la diferencia entre los grupos Podemos expresar el grado de parecido entre parientes como la proporción de la variancia entre grupos o famílias en el total de la variancia de la población, y esto es el Coeficiente de Correlación Intraclase (t) σ 2 b o Vb Variancia entre flías. σ 2w o Vw Variancia dentro flías Variancia fenotípica o total t = σ2b σ 2 b + σ 2w Vb = COVw t = σ2b COV dentro de flías σ 2 b + σ 2w Variancia Total Para el caso de parecidos entre progenie y progenitores, el grado de parecido entre parientes se expresa mejor como la Regresión de la progenie sobre los progenitores (bop) b OP = COVOP VP Estimación de Heredabilidad La covariancia entre individuos emparentados es una propiedad de la población y es una parte de la variancia fenotípica total, cuya proporción depende del tipo de parentesco con que trabajemos. HEREDABILIDAD Hse = VA VF • Método de Regresión Progenie Progenitor: Tomando la regresión sobre un progenitor. Tomando la regresión sobre el promedio de ambos progenitores. • Método de Correlación Intraclase: Para familias de hermanos enteros Para familias de medios hermanos • Método de Mathern o de las Retrocruzas. Estimación de Heredabilidad Partimos de condiciones simplificadas: •Población en equilibrio •El carácter bajo estudio estará regido por un solo locus con dos alelos (A1 y A2) •Las frecuencias génicas son p y q = 0.5 •No hay epístasis Componentes Genéticos de la Variancia Cuando p = q = 0,5, como ocurre en F2 y generaciones subsecuentes derivadas de la cruza de dos líneas altamente endogámicas, resulta: VA = ½ a2 VD = ¼ d2 Método de Regresión Progenie Progenitor Regresión del promedio de la progenie sobre un progenitor (bop) En el siguiente cuadro tenemos los genotipos posibles de los padres, sus frecuencias relativas y valores y los resultados esperados en las progenies: Progenitores Progenie (f x valor) Genot Fre. Valor A1A1 A1A2 A2A2 Medias Variancia A1A1 ¼ a ½a ½d ½ (a+d ) ¼ (a- d)2 A1A2 ½ d ¼a ½d ¼ (-a) A2A2 ¼ (-a) ½d ½ (-a) ½ (d-a ) ¼(a + d)2 ½d ½d ½ a2+¼d2 Con los datos del cuadro y sabiendo que la regresión de la media de la progenie con un progenitor es: b OP = COVOP VP Determinaremos la COVop que resulta de la sumatoria de los productos entre el valor del padre y la media de su descendencia por la frecuencia de cada padre en la población y restándole la media general al cuadrado. COV op = ¼ [a . ½ (a+d)] + ½ (d . ½d) - ¼ [a . ½ (d - a) ] – (½ d)2 COV op = ¼ [a . ½ (a+d)] + ½ (d . ½d) - ¼ [a . ½ (d - a) ] – (½ d)2 COVop = ¼ a2 h2 = VA VP Reemplazando b 2 = ¼ a OP VP VA = ½ a2 por ser p = q = 0.5 h2 = ½ a2 VP h2 = 2 bop Método de Regresión Progenie Progenitor Regresión del promedio de la progenie sobre el promedio de ambos progenitores (bop) Si los padres P1 y P2 se combinan aleatoriamente en la población y sus variancias son homogéneas, VP1 = VP2 COVOP1 = COV OP2 COVO P = ½ (COVOP1 + COV OP2) COVO P = ½ (¼ a2 + ¼ a2) COVO P= ¼ a2 b 2 = ¼ a OP La covariancia del promedio de la progenie sobre el promedio de los padres es igual a la covariancia de uno cualquiera de los padres. En el denominador de bO P tendremos la variancia de la media de ambos padres (VP): VP = V P1 + P2/2 = V ½ (P1 + P2) = ¼ (VP1 + VP2) VP1 = VP2 = ½ a2 + ¼ d2 + E Siendo Reemplazando VP = ¼ ( ½ a2 + ¼ d2 + E) + (½ a2 + ¼ d 2 + E) = ¼ ( a2 + ½d2 + 2E) = ¼ a2 + 1/8d2 + ½E Sacando factor común = ½ (½ a2 + ¼ d2 + E) b OP = COVOP VP b VP = ½ VP OP =¼ a2 ½ VP Reemplazando: b 2 = ½ a OP VP h2 = bo p • El método de regresión es el más empleado para estimar la heredabilidad en animales. • En caso de existir un efecto materno muy pronunciado, (ej: Peso al destete. Efecto ambiental intrauterino es de importancia, se recurre a la regresión sobre uno solo de los padres, el macho, eliminando así el efecto materno. Cuando contamos con los datos de los padres y de la progenie utilizamos la fórmula de trabajo: b = y x = COVXY = VX x = Valores de los padres y = Valores de la progenie x y x 2 x y / n - ( x)2 / n Y=a+bX Método de Correlación Intraclase t = σ2b COV dentro de flías σ 2 b + σ 2w Variancia Total Vb = COVw Para familias de medios hermanos (HS) Para familias de hermanos enteros (FS) En el desarrollo consideraremos las mismas condiciones simplificadas. Método de Correlación Intraclase Para familias de medios hermanos (HS) Consideramos un individuo cualquiera de la población que actúa como macho, que se combina aleatoriamente con otros individuos (hembras) de la población. Estas progenies están relacionadas entre sí por un padre común, es decir que son medios hermanos. (con frecuencias génicas de 0.5). Ej poblac. de maíz Partimos del cuadro siguiente con las medias y variancias para familias de medios hermanos Método de Correlación Intraclase Para familias de medios hermanos (HS) Las variancias de las familias asociadas a A1A2 de la población son equivalentes a la variancia de F2; mientras que las variancias dentro de las familias con progenitores A1 A1 y A2 A2 equivale a las variancias de las retrocruzas. Progenitores Progenie (f x valor) Genot Fre. Valor A1A1 A1A2 A2A2 Medias Variancia A1A1 ¼ a ½a ½d ½ (a+d ) ¼ (a- d)2 A1A2 ½ d ¼a ½d ¼ (-a) A2A2 ¼ (-a) ½d ½ (-a) ½ (d-a ) ¼(a + d)2 ½d ½d ½ a2+¼d2 Método de Correlación Intraclase Para familias de medios hermanos (HS) La VEF es igual a la covariancia dentro de los grupos de medios hermanos (COVHS), se calcula como la sumatoria de las medias familiares al cuadrado por sus respectivas frec. y restándole luego la media de la población al cuadrado. VEF = COVHS = ¼ [½ (a+d)] 2 + ½ (½d) 2 + ¼ [½ (d - a)] 2 – (½ d)2 COVHS = 1/8 a 2 t = Cov HS VF Por ser p=q= 0.5 t= 1/8 a 2 h2 = VA = ½ a 2 VF VF VF Podemos estimar la heredabilidad a través del “tHS” como: h2 = 4 t HS Método de Correlación Intraclase Para familias de hermanos enteros (FS) Las combinaciones posibles de progenitores en una población en equilibrio en condiciones simplificadas. Los genotipos esperados en las progenies, sus frecs, las medias familiares y las variancias dentro de cada familia para cada combinación: Gent. Padres Fr. A1A1 A1A2 A2A2 Media Variancia A1A1xA1A1 1/16 a -- -- a 0 2 A1A1 x A1A2 ¼ ½a ½d -- ½(a+d) ¼(a-d)2 2 A1A1 x A2A2 1/8 -- d -- d 0 A1A2 x A1A2 ¼ ¼a ½d ¼ (-a) ½d ½a2+¼d2 2 A1A2 x A2A2 ¼ -- ½d -- ½(a-d) ¼(a+d)2 A2A2 x A2A2 1/16 -- -- -a -a 0 Media general ½ d Método de Correlación Intraclase Para familias de hermanos enteros (FS) La VEF o 2b es igual a la covariancia entre los individuos de un mismo grupo de hermanos enteros (COVFS), COVFS = 1/16 a2 + ¼[½(a+d)]2 + 1/8 d2 + ¼ (½ d2) + ¼ [½(d-a)]2 + 2 + 1/16 d2 2 2 COV = ¼ a FS 1/16 (- a) - ( ½ d) Siendo la “t” para familias de hermanos enteros: tFS = COVFS VF ¼ a2 + 1/16 d2 VF h2 = ½a2/ VF por ser p=q=0,5. Y en caso de que no exista variación genética dominante, podemos estimar la heredabilidad como: h2 = 2 t FS Método de Correlación Intraclase Para familias de medios hermanos (HS) h2 = 4 t HS Para familias de hermanos enteros (FS) h2 = 2 t FS • El coeficiente “t” puede tomar valores entre 0 y 1 • Si t = 1 no hay variación dentro de las familias. • Si t = 0 todas las familias tienen la misma media y hay variabilidad solo dentro de las familias. • Si por ejemplo t = 0,4, el 40% de la variación total es causada por diferencias entre las medias de familias y el 60% restante se debe a la variación de los individuos alrededor de la media de su familia. Método de las Componentes de Mathern o de las Retrocruzas - Se utiliza en poblaciones con progenies numerosas. Principalmente para poblaciones vegetales. - Las mediciones deben realizarse en el mismo ambiente - Datos: medias y variancias del valor fenotípico para el carácter en estudio de: P1 y P2 F1 y F2 provenientes de P1 x P2 RC1= F1 x P1 RC2 = F1 x P2 - Partimos de condiciones simplificadas Método de las Componentes de Mathern o de las Retrocruzas Los padres P1 y P2 son líneas altamente endogámicas, por lo que su VG = 0, al igual que para la F1. En F2 y en las RC1 y RC2 los genotipos y frecuencias se planten en el siguiente cuadro Genot Frecuencia F2 RC1 RC2 Valor Frecuencia x Valor F2 RC1 RC2 A1A1 ¼ ½ -- a ¼a ½a -- A1A2 ½ ½ ½ d ½d ½d ½d A2A2 ¼ -- ½ (-a) -¼a -- -½a Medias ½d Media General ½d ½ (a+d) ½(d- a) Método de las Componentes de Mathern o de las Retrocruzas Frecuencia Genot A 1A 1 A 1A 2 A2A2 Frecuencia x Valor F2 RC1 RC2 Valor -- ½ ½ ¼ -- ¼ ½ a F2 ¼a RC1 RC2 ½ d ½d ½d ½d ½ (-a) -¼a -- -½a Medias Media General ½d ½a -- ½ (a+d) ½(d- a) ½d Para cada genotipo el valor se toma como desvío con respecto a la media de los dos homocigotas, podemos calcular la VG y VF para F2 y las RC1 y RC2 VGF2 = ¼ a2 + ½ d2 +¼ (-a)2 –(½ d)2 VGF2 = ½ a + ¼ d2 VFF2 = ½ a + ¼ d2 + VE Método de las Componentes de Mathern o de las Retrocruzas VGRC1 = ¼ a2 + ¼ d2 - ½ ad VF 2 + ¼ d2 - ½ ad + VE = ¼ a RC1 VG RC2 = ¼ a2 + ¼ d2 + ½ ad VF RC2 = ¼ a2 + ¼ d2 + ½ ad + VE VF RC1 + VF RC2 Sumando las VF de las RC1 y RC2 = ½ a2 + ½ d2 + 2 VE Resumiendo: VG P1 P2 F1 F2 RC1 + RC2 0 0 0 ½ a2 + ¼ d2 ½ a2 + ½ d2 ½ a2+ ¼ d2 + VE ½ a2 + ½ d2 + 2 VE VF VE VE VE Método de las Componentes de Mathern o de las Retrocruzas En base a estos datos podemos estimar los distintos componentes de la variancia y la heredabilidad para un determinado carácter: VE = 1/3 (VF P1 + VF P2 + VFF1) VG = VF F2 - VE hSA = GDG = VG VF F2 h2 = hSE = VA VF F2 GD = 4 VD 2 VA Si VF = VG + VE VA = 2VFF2 – (VRC1 + VRC2) Reemplazando VA = ½ a2 La VD se estima como: VD = (VF RC1 + VF RC2) - VF F2 - VE Reemplazando VD = ¼ d2 siendo GD = d/a Reemp: GD = 4 ¼ d2 = d2 = d 2 ½ a2 a2 a Método de Mathern o de las Retrocruzas Ventajas: Es un método muy completo que permite evaluar los parámetros genéticos para un determinado carácter, en ausencia de epístasis. Desventajas: Número de generaciones necesarias para obtener las seis poblaciones (P1, P 2 , F1, F2, RC1 y RC2). Número de individuos en cada población debe ser relativamente elevado. Ejemplos de Heredabilidad en soja h2 alta permite seleccionar a partir de F2 Proteína: empleo de técnicas sin destrucción del embrión Valores Estimados % Carácter Máx. Mín. Peso Sem. 94 44 Altura 90 60 E – R2 91 65 Ciclo 94 75 Proteína 90 57 Rend. 53 3 Alta Baja h2 baja: seleccionar a partir de F4 Seleciones tempranas, menor variabilidad para rendimiento. Experimentos con repeticiones Ej: de Heredabilidad en maíz Carácter Flía. de Medios Hermanos en 3 ciclos de selección Rend. % 33 50 40 Aceptable Permite continuar con otros ciclos de selección Bovinos Heredab. Peso al nacer Media Tamaño Fertilidad Baja Repetibilidad: Mediciones múltiples Cuando el carácter puede ser medido más de una vez en cada individuo. La repetición de la medición puede darse: En el tiempo: Ej. producción de leche: puede medirse en sucesivas lactancias. Tamaño de camada: se mide en preñeces diferentes. En ovinos peso del vellón En plantas perennes o bianuales: la producción de frutos o semillas en más de un año. En el espacio en caracteres estructurales o anatómicos. Ej. en plantas que producen más de un fruto, dan más de una medición para cada carácter del fruto (forma de fruto y cantidad de semillas) En animales : En caracteres que pueden medirse a ambos lado del cuerpo (longitud de brazos, piernas, etc.) Repetibilidad: Mediciones múltiples La repetibilidad (r) al igual que la heredabilidad no es una constante biológica de un carácter, sino que depende de la composición genética de la población y del ambiente. Para analizar la repetición en el tiempo y espacial en forma conjunta usamos los términos: Variación ambiental especial, temporaria o localizada (VEes): Variancia dentro de los individuos. Afecta a las mediciones en forma diferente. Variación ambiental general, permanente o no localizada (VEgr): Variancia entre individuos. Permanece igual durante la vida del animal, afectando todas las mediciones Repetibilidad: Mediciones múltiples Ej: Deficiencia nutricional prolongada durante el período de crecimiento, provoca un efecto permanente, que no es genético, en toda la vida del animal. La variancia ambiental temporaria es causada por factores de clima, nutrición , manejo, etc. que afectan a cada medida. La Repetibilidad del carácter se puede definir como la correlación entre medidas repetidas sobre un mismo individuo La VF queda expresada en dos componentes: Variancia entre individuos = VG + VEgr Variancia dentro de los individuos = VEes Repetibilidad: Mediciones múltiples El cociente de la componente entre individuos sobre la variancia fenotípica total es la Correlación intraclase r r = VG + VE VF gr La repetibilidad es fácilmente medible y nos muestra el límite superior para el valor de heredabilidad, que puede ser menor a la repetibilidad pero nunca mayor. También r permite determinar en que medida el carácter está influenciado por el ambiente externo. Repetibilidad: Mediciones múltiples La repetibilidad indica el grado en que la superioridad de un individuo, en una medida determinada, será observada en medidas subsiguientes en el mismo animal, dentro de su propia vida. Mientras que la heredabilidad indica el grado en que la superioridad de los padres será observada en su descendencia. RESPUESTA A LA SELECCIÓN La selección produce variaciones en las frecuencias génicas y genotípicas que se traducen en un cambio del valor medio o media del carácter en la población. M M ds Mp R Mhps Mps R= Mhps - Mp H R bop = R ds Mhps Mp Mps P ds R = bop x ds R = hse x ds = VA x ds VF R = hse x ds = VA x ds VF Diferencial de selección estandarizado Condiciones: Selección por truncamiento Distribución normal ds = i = z F p Proporción de individuos seleccionados Altura de la ordenada en el punto de truncamiento ds = i x F R = hse x ds = VA x ds VF Diferencial de selección estandarizado Condiciones: Selección por truncamiento Distribución normal ds = i = z F p Proporción de individuos seleccionados Altura de la ordenada en el punto de truncamiento 2 R = hse x ds = A x ds 2 F ds = i x F 2 R = hse x ds = A x i x F 2 F R = hse x ds = hse x i x F Tipos de Respuesta a la selección • Respuesta nula • Respuesta lenta y continua • • Respuesta inicial rápida y luego lenta Respuesta en mesetas Tipos de Respuesta a la selección El tipo de respuesta a la selección que se observa para un determinado carácter indica algunas propiedades de la forma de herencia de dicho carácter • Respuesta nula Valor medio del carácter tiempo Tipos de Respuesta a la selección El tipo de respuesta a la selección que se observa para un determinado carácter indica algunas propiedades de la forma de herencia de dicho carácter. • Respuesta nula Peso medio de granos por espiga en una población de maíz No hay respuesta, a pesar de seleccionar las plantas con mayor valor, como padres de la siguiente generación. Esto indica que la variación observada y seleccionada, se debe al ambiente. No hay variancia genética, la heredabilidad es cero. 180 gr/espiga tiempo Tipos de Respuesta a la selección El tipo de respuesta a la selección que se observa para un determinado carácter indica algunas propiedades de la forma de herencia de dicho carácter • Respuesta lenta y continua Valor medio del carácter 180 gr/espiga tiempo Tipos de Respuesta a la selección El tipo de respuesta a la selección que se observa para un determinado carácter indica algunas propiedades de la forma de herencia de dicho carácter • Respuesta lenta y continua Peso medio de granos por espiga en una población de maíz 180 gr/espiga 250 gr/espiga El carácter está determinado por múltiples loci, cada uno de los cuales agrega o adiciona una pequeña parte del valor al carácter. A medida que va aumentando la frecuencia de los genes para mayor valor la media de la población se va incrementando. tiempo Tipos de Respuesta a la selección El tipo de respuesta a la selección que se observa para un determinado carácter indica algunas propiedades de la forma de herencia de dicho carácter • Respuesta inicial rápida y luego lenta Valor medio del carácter tiempo Tipos de Respuesta a la selección El tipo de respuesta a la selección que se observa para un determinado carácter indica algunas propiedades de la forma de herencia de dicho carácter • Respuesta inicial rápida y luego lenta Peso medio de granos por espiga en una población de maíz 420 gr/espiga 350 gr/espiga 180 gr/espiga tiempo El carácter está determinado por múltiples loci, algunos de ellos son genes MAYORES con un aporte al valor más importante, se seleccionan fácilmente y se su frecuencia aumenta rápidamente generando una mayor respuesta, luego la respuesta continúa por efecto de los otros loci (genes MENORES) que agregan o adiciona una pequeña parte del valor al carácter. Tipos de Respuesta a la selección El tipo de respuesta a la selección que se observa para un determinado carácter indica algunas propiedades de la forma de herencia de dicho carácter • Respuesta en mesetas Valor medio del carácter tiempo Tipos de Respuesta a la selección El tipo de respuesta a la selección que se observa para un determinado carácter indica algunas propiedades de la forma de herencia de dicho carácter • Respuesta en mesetas Peso medio de granos por espiga en una población de maíz 440 gr/espiga 350 gr/espiga 180 gr/espiga tiempo El carácter está determinado por múltiples loci (con genes MAYORES y MENORES), se seleccionan y su frecuencia aumenta generando la respuesta, luego sigue un período sin respuesta. Esto puede deberse a la presencia de ligamientos y/o de techos fisiológicos, los ligamientos pueden romperse, aparecer un recombinante y así vuelve a haber variabilidad sobre la cual actuará la selección y se observará respuesta nuevamente. Bibliografía: • ALLARD, R.W.. 1978. Principios de la mejora genética de las plantas. Omega, Barcelona. • CARDELLINO, R. Y ROVIRA, J.. 1986. Mejoramiento genético animal. Editorial Hemisferio Sur. • FALCONER, D.S.. 1986. Introducción a la genética cuantitativa. CECSA, Méjico. • FALCONER, D. S.; MACKAY, T. F. G. 1996. Introduction to Quantitative Genetics. Longman, 4th ed.. • GRIFFITHS, A.J.F.; MILLER, J. H.; SUZUKI, D. T.; LEWONTIN, R. C.; GELBART, W. M. 2000. Introducción al Análisis Genético. 5tta Ed. McGraw–Hill Interamericana. • HIORTH, G.. Genética cuantitativa. Tomo I: Fundamentos Biológicos. Tomo II: Selección. U.N.Cba., Fac. Cs. Agr., Córdoba, 1985. • LACADENA, J.R. 1988. Genética. Editorial Agesa, Madrid. • MARIOTTI, J.A. 1986. Fundamentos de Genética Biométrica. Aplicaciones al Mejoramiento Genético Vegetal. O.E.A. Serie de Biología, Monografía Nº 32. Washington, D.C., 1986.