Curso 2008-09Biotecnología y Medio Ambiente Caracterización genética de poblaciones aplicada a...

Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Caracterización genética de poblaciones aplicada a

estudios de biodiversidad

Inma Martín Burriel

LAGENBIO

[email protected]


• Los animales domésticos proporcionan del 30 al 40% del valor total de producción agrícola y alimentaria

• Se espera que la demanda de productos ganaderos en el mundo en desarrollo se duplique en los próximos 20 años

• La producción animal se está intensificando y confía cada vez más en unas pocas razas que puedan mantener altos rendimientos

• Las razas locales menos productivas, aunque valiosas genéticamente se están viendo amenazadas


“La conservación de recursos genéticosanimales es esencial para permitir

a los agricultores adaptarse a condiciones ambientales cambiantes

y a las demandas del consumo”

5000 razas reconocidas de aves y animales de producción

1/3 en peligro de extinción


Situación en España

EFE: Casi el 70% de las razas autóctonas del país están en peligro de extinciónEl 69,88 por ciento de las razas autóctonas del país están en peligro de extinción ya que, del total de 176 existentes, 123 se hallan en esa situación, ha informado hoy en Badajoz la subdirectora de Recursos Naturales del Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino (MARM), Isabel García Sanz.

…En su discurso, ha advertido de la importancia que tienen los animales en la protección del monte y el mantenimiento del ecosistema, así como en el origen del modo de vida de los lugareños, incluido el turismo rural.

17/10/2008


Causas de la desaparición de razas autóctonas (Garcia-Dory y Martinez Vicente)

• Intensificación del Plan Nacional de repoblaciones iniciado en 1940.• La entrada en España de la peste porcina africana, afectando

fuertemente al ganado porcino autóctono mermándolo en más de un 90%.

• La puesta en marcha en la década de los 60 de los sucesivos planes de desarrollo que estimulados por el Informe del Banco Mundial, contemplaban la expansión de la ganadería intensiva.

• Entrada masiva de ganado seleccionado a partir de los años 20.• Mecanización del campo.• Hundimiento general del mundo rural, por una asociación de

motivos socio-económicos complejos.

http://www.gem.es/materiales/document/documen/g08/d08210/d08210.htm


Razas autóctonas

• Burros: http://www.geocities.com/amiburro/biodiversidad.htm

• Animales domésticos por comunidades: http://www.grupocordobes.com/clientes/juanvi/general.phtml?cte=6&libro=1

http://www.geocities.com/amiburro/biodiversidad.htm



http://www.grupocordobes.com/clientes/juanvi/general.phtml?cte=6&libro=1




Conservación de las razas autóctonas

• Mantenimiento de la riqueza genética y la biodiversidad.

• Conservación de caracteres de adaptación por rusticidad al medio físico donde se desenvuelven.


Creación de canales directos de comercialización

• Creación de marcas de calidad.• Ejemplo: Recuperación de Razas Autóctonas Vascas:

– Trabajar exclusivamente con Razas y variedades vegetales autóctonas.

– En la alimentación de las razas debe de haber especies vegetales autóctonas.

– Manejo en extensivo, pastoreo y en huertos. – Elaboración y venta de los productos por los ganaderos. – No se admiten productos de marcas de calidad establecidas.– Venta directa en caseríos, en ferias y restaurantes de calidad.

“Slow food”

(Euskal AbereaK: http://slowfood.es/ademuz2005/euskal-abereak-y-los-productos-de-calidad.htm )


Análisis genético de las razas

• Desarrollo del estándar racial.

• Caracterización genética de la población:– Estudio de la variabilidad genética de la raza.– Análisis de posibles subpoblaciones.– Análisis de su relación genética con otras

poblaciones física o filogenéticamente próximas.

• Consejo para la conservación.


Estructura genética de una población

“La finalidad de la Genética de Poblaciones es entender la composición de la población y estudiar las fuerzas que

determinan esa composición y provocan su cambio "

LA VARIACIÓN GENÉTICA ORIGINA LA EVOLUCION

La existencia de diferencias causadas por genes en una población se denomina POLIMORFISMO GENÉTICO


Caracterización genética

1. Elección de una muestra representativa

2. Análisis de marcadores genéticos

3. Estudios de variabilidad: Nº medio de alelos por locus. Riqueza alélica. Heterocigosidad

4. Determinación de las frecuencias alélicas

5. Equilibrio genético.

6. Estudios de diferenciación genética.


1. Muestreo de la población

• Muestra representativa

• Tener en cuenta posibles subpoblaciones

• Elección de individuos no emparentados

http://images.google.es/imgres?imgurl=http://www.conoceceuta.com/0020-04%2520mapa%2520espanawpe22.jpg.jpg&imgrefurl=http://www.conoceceuta.com/0020-04%2520viaje_por_carretera.htm&h=457&w=648&sz=62&hl=es&start=43&tbnid=F7f5lax36GypOM:&tbnh=97&tbnw=137&prev=/images%3Fq%3Dmapa%2Bde%2Bespa%25C3%25B1a%26start%3D40%26ndsp%3D20%26svnum%3D10%26hl%3Des%26lr%3D%26sa%3DN


2. Polimorfismos

• Variaciones morfológicas:– Color– Medidas geométricas– Formas


2. Polimorfismos

• Polimorfismos cromosómicos– Variación de la

morfología cromosómica

– Variación en las bandas cromosómicas

Muy diferentes Muy Similares


2. Polimorfismos

• Polimorfismos inmunológicos– Antígenos eritrocitarios– HLA: 2 loci con 5 alelos cada uno25

homocigotos y 300 heterocigotos (BoLA)

• Polimorfismos proteicos– Cambios en genes estructurales cambio

de aa cambio en las propiedades de la proteína.

– 1/3 loci polimórficos (Het: 10%)


2. Polimorfismos

• Polimorfismos del DNA:– Microsatélites.– SNP (Single Nucleotide Polymorphism): SNP

del cromosoma Y.– Análisis de secuencias: DNA mitocondrial.


Microsatélites

• DNA microsatélite– Localización dispersa en

todos los cromosomas– Se encuentran en intrones

y DNA espaciador, raramente en secuencia codificante

– Longitud de la secuencia repetida: 1 a 4 pb

– Las secuencias flanqueantes a la repetición son únicas.

– Son muy polimórficas


• FAO recomienda 30 microsatélites (mínimo 20 micros)

• Proyectos internacionales para unificar medidas de lectura

Microsatélites

CA CA CA CA CA CA

CA CA CA CA CA CA CA CA CA CA

Alelo 1

Alelo 2

Genotipado:

http://www.unizar.es/lagenbio/recursos/pcr.html


BM1824 TGLA227 TGLA122 SPS115 ETH225 BM2113 ETH10

Mallorquina 1 179 183 089 089 140 144 244 244 139 147 134 138 221 221

Mallorquina 2 179 189 083 089 144 162 244 244 139 143 134 134 217 217

Mallorquina 3 189 189 089 091 140 144 244 244 147 149 134 134 217 217

Mallorquina 4 179 179 089 089 144 148 244 244 139 139 134 134 213 217

Mallorquina 5 179 181 083 089 142 150 244 244 139 149 138 138 213 217

Mallorquina 6 179 189 083 089 140 144 244 244 147 149 134 138 217 221

Mallorquina 7 179 179 083 091 142 148 244 244 139 139 134 134 221 221

Mallorquina 8 181 189 083 089 140 144 244 244 139 147 134 138 213 221

Mallorquina 9 181 189 083 089 140 148 244 244 139 147 134 134 213 221

Mallorquina 10 189 189 083 083 140 144 244 244 139 149 138 138 217 217

Mallorquina 11 183 189 089 089 140 162 244 244 139 149 134 138 217 217

Mallorquina 12 183 189 083 089 144 144 244 244 139 147 134 138 217 221

Mallorquina 13 179 189 089 091 144 144 244 244 139 147 134 138 217 217

Mallorquina 14 183 189 089 089 140 144 244 244 139 149 134 138 217 221

Genotipado de microsatélites


Características de los microsatélites

• Alto grado de polimorfismo

• No sujetos a selección (neutros)

• Representativos de todo el genoma


3. Estudios de variabilidad

• Porcentaje de loci polimórficos:– Con microsatélites normalmente valores

próximos al 100%

• Número medio de alelos por locus:– Los microsatélites tienen una gran

variabilidad– Nº de alelos de un microsatélite: 2-14– Población muy variable presencia de

muchos alelos distintos en la población nº medio de alelos por locus alto


INRA 35Nº Alelos: 10

5 alelos 3 alelos

123/123

121/123

125/127

123/123123/127

121/123

123/125

121/123

123/127

123/129

123/125

123/123

121/123

123/125

123/123123/123

123/123

123/125

121/123

123/125

123/123

123/123

http://images.google.es/imgres?imgurl=http://supersancayetano.com.ar/vaca.gif&imgrefurl=http://supersancayetano.com.ar/&h=448&w=384&sz=5&hl=es&start=13&tbnid=Ng7tXWZoZt_Y5M:&tbnh=127&tbnw=109&prev=/images%3Fq%3Dvaca%26svnum%3D10%26hl%3Des%26lr%3D























Número medio de alelos por locus

• Micro 1: 3

• Micro 2: 5

• Micro 3: 7

• Micro 4: 4

• Micro i: nai

NMA = nai

Nº micros


Riqueza alélica• Número medio de alelos por locus

corregido para el número de individuos de la menor población

123/123

121/123

125/127

123/123123/127

121/123

123/125

121/123

123/127

123/129

123/123

125/127

123/123123/127

123/123

123/125

5 alelos

3 alelos

n = 11n = 6

123/127

3 alelos



















Heterocigosidad media

123/123

121/123

125/127

123/123123/127

121/123

123/125

121/123

123/127

123/129

123/125

123/123

121/123

123/125

123/123123/123

123/123

123/125

123/123

123/125

123/123

123/123

9 Het/ 11 = 81.8%

4 Het/ 11 = 44.4%

Frecuencia media de individuos heterocigotos por locus o, frecuencia media de loci heterocigóticos por individuo






















Heterocigosidad media

• Micro 1: H1/n

• Micro 2: H2/n

• Micro 3: H3/n

• Micro 4: H4/n

• Micro i: Hi/n

HETo = Hi

Nº micros

Medida de la variación de los genotipos


3. Determinación de las frecuencias alélicas

BASE PARA LA CARACTERIZACIÓN GENÉTICA

…. Recuerdo de Genética de Poblaciones


Cálculo de frecuencias alélicas

Genotipo F. Genotípicas observadas171/171 96/134= 0.717171/173 36/134= 0.268173/173 2/134= 0.015

LOCUS GENOTIPO INDIVUOS OBSERVADOS ILSTS005 171/171 96

171/173 36 173/173 2

134

Análisis de DNA CodominanciaCaso de un microsatélite con 2 alelos


• A partir de Frec Genotípicas

f. a de 171 = f171/171+1/2 f171/173

f. a de 173 = f173/173+1/2 f171/173

f.a de 171 = 0.717 + 0.268/2 =

= 0.851

f.a de 173 = 0.015 + 0.268/2 =

= 0.149

• Recuento directo genesAlelo 171: está dos veces en

homocigotos y una en

heterocigoto.

96x2+36=228 alelos 171

Población=134 individuos

( 2 alelos cada uno ) = 268 alelos

f.a de 171 = 228/268= 0.851

f.a de 173 =(2x2+36)/2x134=

= 0.149

Cálculo de las frecuencias alélicasLOCUS GENOTIPO INDIVUOS OBSERVADOS FRECUENCIAS

ILSTS 005 171/171 96 0.717 171/173 36 0.262 173/173 2 0.015

134


4. Equilibrio genético

• Población grande

• No existe mutación

• Ni selección

• Ni migración

• Apareamiento es aleatorio

EquilibrioHardy-Weinberg


Desviaciones del EHW• Mutación:

– Tasa de mutación (y retromutación)

• Selección natural o artificial– Intensidad de selección– Aptitud de genotipo

• Migración:– Proporción de migrantes

Predicción de la frecuencia génica en n generaciones

PROCESOS SISTEMÁTICOS


Desviaciones HWE:Proceso dispersivo

• Poblaciones grandes:– Frecuencias estables de generación en

generación en condiciones HW

• Poblaciones pequeñas:– Inestabilidad de frecuencias– Cambios debidos al muestreo– Se transmite una muestra de genes a la

siguiente generación. Si la muestra no es grande cambio entre generaciones


Proceso dispersivo

• Deriva genética• Diferenciación en subpoblaciones• Uniformidad dentro de subpoblaciones• Incremento de la homocigosidad

POBLACIÓN BASE

N NNNNN N

2N 2N 2N 2N 2N 2N 2N

2N 2N 2N 2N 2N 2N 2N

NN N

∞n=Generación

0

1

2


Organismos diploides

Gametos MuestreoSupervivencia

aleatoriaUnión

aleatoria


Deriva génica

• Las frecuencias varían como consecuencia del muestreo en poblaciones pequeñas.

Simulación de deriva genética

Efecto similar cuando se produce un cuello de botella


Deriva génica• Subdivisión en poblaciones: las frecuencias

varían aleatoriamente en cada subpoblación.

Deriva genética en distintas subpoblaciones

Efecto Whalund:Reducción de la Ho frente a He

Fst

≥ 0 (excepción cuello de botella reciente)=0 Panmixia=1 Subdivisión extrema, aislamiento completo≤0,05 Diferenciación genética “despreciable”>0,25 Diferenciación genética muy grande

(medida de distancia genética)


Apareamiento entre iguales

• Cuando el apareamiento no es al azar, sino dirigido, las frecuencias se alteran.

• Si el apareamiento es entre iguales los alelos tienden a fijarse.

Efectos del apareamiento dirigido


Consecuencias de la consanguinidad

• Fijación o incremento de la frecuencia de genes deletereos.

• Descenso en caracteres productivos.

• Diferenciación entre subpoblaciones.

• Las razas se han creado por adaptación al medio, división en subpoblaciones y apareamientos dirigidos.


Distancia genética: estadístico que indica el grado de aproximación o alejamiento entre varias poblaciones, realizando comparación por parejas

Interés:

EVOLUTIVO

PRODUCCION ANIMAL - Vigor híbrido

- Búsqueda de QTLs

Medida:

Multitud de programas

6. Diferenciación genética


Table 7. Nei’s DA distance values between each pair of 8 Spanish cattle breeds

Ast. Lowl. N.B.G. Ast. Mount.

Casta N. Betizu Pyrenean F.B.

N.B.G. 0.074

Ast. Mount. 0.083 0.108

C. Navarra 0.151 0.163 0.188

Betizu 0.218 0.235 0.257 0.162

Pyrenean 0.137 0.162 0.155 0.124 0.150

F.B. 0.201 0.212 0.219 0.106 0.182 0.140

Minorcan 0.177 0.226 0.238 0.165 0.187 0.141 0.175


Los valores de distancia expresados gráficamente, mediante algoritmos como(UPGMA, Neighbour-Joining).

ÁRBOLES FILOGENÉTICOS


Casta Navarra

Fighting Bull

Betizu

Minorcan

Pyrenean

Nordwest Brown Group

Asturian Downland

Asturian Mountain39

62

43

86

96

A

Figure 2. Dendograms show the genetic relationship among eight Spanish autochthonous cattle populations. Phylogenetic trees are constructed from DA distance a) by the Neighbor-joining method, b) by the UPGMA method. Percentage at the nodes is the bootstrap values obtained from 1000 replicates. There are unrooted trees.

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