Genetica in conservarea biodiversitatii

Importanta geneticii recunoscuta din anii 70

- Sir Otto Frankel colab cu Soule parintele biologiei conservarii

-

Ce este genetica conservarii?

Componenta a biologiei conservarii care trateaza factorii genetici care influenteaza riscul extinctiei si managementul genetic necesar minimalizarii riscului.

In biologia conservarii exista 11 probleme majore care comporta componente genetice:

1. Efectul depresiv al consangvinizarii

2. Pierderea diversitatii genetice si a abilitatii de a evolua ca raspuns la midificarile survenite in mediu

3. Fragmentarea populatiilor si reducerea fluxului genic

4. Procesele randomice care surclaseaza selectia naturala ca si proses evolutiv primar

5. Acumularea mutatiilor detrimentale

6. Adaptarea genetica la captivitate si efectul sau advers in succesul reintroducerii speciilor in habitatele lor naturale

7. Rezolvarea incertitudinilor taxonomice

8. Definirea unitatilor de management in cadrul speciilor

9. Utilizarea geneticii moleculare in criminalistica

10. Utilizarea geneticii moleculare in intelegerea aspectelor de biologie a speciilor, importante din punct de vedere conservativ

11. Efectul detrimental generat de hibridare

Diversitatea genetica

Este indispensabila populatiilor pentru a se putea adapta.

Populatiile mari ale speciilor panmictice diversitate genetica mare

Diversitate redusa la sp. periclitate

Importanta diversitatii genetice

Div. gen este materia prima pentru selectia naturala

Pierderea diversitatii genetice reduce poetntialul evolutiv si este astfel asociata cu reducerea fitnesului reproductiv

Ce este diversitatea genetica ?

Este varietatea de alele si genotipuri prezente intr-o grupare de indivizi (pop. sp. sau grupuri de specii)

Terminologia utilizata pentru a descrie diversitatea genetica

Locus (plural loci)

Alele

Genotip

Genom

Homozigot

Heterozigot

Frecventa alelica

Monomorfic

Proportia locilor polimorfici ( P) Nr locilor polimorfici / nr

total de loci testati.

Ex.

Daca 3 din 10 loci testati sunt polimorfici si 7 sunt

monomorfici,

P = 3/10 = 0.3

Diversitatea alelica

Este folosita pentru a descrie diversitatea

genetica.

De ex.

Doua alele la un locus determina

diferente in proteinele albuminei din ou

la eider si trei alele la o sp. de cinteza

(ex. 2.2).

Daca se analizeaza mai multi loci,

diversitatea alelica (A) este numarul

mediu al alelelor la nivelul acestor loci

(Tab 2.1).

Ex leii africani au in total 33 de alele

In 26 loci alozimici deci A = 33/26 =

1.27.

Echilibrul Hardy Weinberg

In populatiile panmictice mari, frecventele genice si genotipice la

un locus autozomal sunt in echilibru asu ating echilibrul dupa o

generatie de imperechere panmictica (in absenta factorilor

modificatori).

Conditii pentru atingerea echilibrului H-W

Dimensiune mare a populatiei

populatie izolata (fara migratie)

absenta mutatiei

segregare mendeliana normala

Fertilitate egala a genotipurilor parentale

Cuplare randomica a gametilor

Capacitate de fertilizare egala a gametilor

Capacitate de supravietuire echivalenta a

tuturor genotipurilor

Deviatii de la echilibrul Hardy Weinberg

Heterozigotia asteptata

Pentru evaluarea potentialului evolutiv al speciei este necesar sa se estimeze

diversitatea genetica la nivelul tuturor locilor in genom.

Informatia furnizata de catre un singur locus este improbabil sa poata estima

diversitatea de la nivelul tuturor locilor unei specii.

De exemplu mamiferele au aprox. 35 000 loci functionali.

In consecinta, valorile diversitatii genetice (Ho, He) sunt exprimate ca si valori

medii ale unei probe selectate randomic, constand intr-un anumit numar de loci.

De exemplu, heterozigotia medie detectata prin electroforeza proteica in 26 de

loci la leii africani este de 7.1%,

Estimarea frecventei unei alele recesive

Homozigotii recesivi (aa) sunt diferiti fenotipic si au o frecventa

asteptata de q2 la un locus in cazul in care sunt respectate

conditiile pentru atingerea echilibrului HardyWeinberg

Gradul de diversitate genetica

Populatiile mari ale speciilor panmictice contin o diversitate

genetica importanata :

morfologica,

comportamentala

fiziologica

variatie ne-genetica, datorata influentelor mediului asupra

indivizilor

variatie genetica

Datorata diferentelor de structura genetica (alele, heterozigotie, etc)

Variatii cantitative

Cele mai importante caractere

in conservare sunt cele

cantitative

Caractere care determina gradul de

sanatate si fitnesul reproductiv al unui

organism:

nr de descendenti,

nr de seminte la plante,

capacitatea de imperechere,

longevitatea,

rata de crestere,

comportamentele de evitare a

pradatorilor,

greutate corporala,

inaltime ,

forta,

Teoretic, toate caracterele

cantitative ale speciilor

panmictice se caracterizeaza

prin diversitate genetica.

Diversitatea genetica pentru

un caracter cantitativ este de

obicei determinata prin

masurarea similaritatilor in

caracterul respectiv la un

numar mare de indivizi

inruditi si determinarea

proportiei variatiilor

fenotipice care sunt ereditare

(eritabilitate ).

Alele detrimentale Toate populatiile panmictice contin o incarcatura de alele detrimentale rare

(balastul de gene) care pot fi exprimate

prin consangvinizare

Important pentru genetica conservarii!

In mod obisnuit, acestea au frecvente foarte mici these

sub 1%.

Ex. Sindroame la om,

fenilcetonuria, albinismul, maladia Huntington

Absenta clorofilei la plante

Surditatea la condorii californieni,

Malabsorbtia vitaminei E la caii lui Przewalski,

Criptorhidia si defecte cardiace congenitale la

panterele de Florida,

Absenta testiculelor la koala

Absenta blanii la lemurii rosii

Diversitatea genetica

Proteine

Primele masuratori de diversitate

genetica la nivel molecular au fost

realizate in 1966 prin studiul

variatiilor alelice la nivelul unor loci

responsabili de sinteza unor proteine

solubile

Tehnica o varianta a electroforezei

care separa moleculele dupa

incarcatura lor electrica si masa

moleculara

Se pot analiza probe de

sange, ficat sau rinichi la animale,

frunze si radacini la plante

ADN

Recoltarea probelor de ADN pentru masurarea diversitatii

genetice Orice material biologic care contine ADN poate fi utilizat pentru masurarea

diversitatii genetice cu ajutorul tehnicilor moleculare

probe proaspete: par, piele, penaj, materii fecale, urina, coaja de oua,

solzi, tesuturi, saliva, lichid seminal.

material conservat tegument si tesuturi ale unor piese muzeale

Conditie proba trebuie sa contina si ADN nedegradat care sa nu fie

contaminat cu ADN al altor indivizi sau al unor specii inrudite.

Amplificarea ADN prin PCR

Genotiparea indivizilor poate fi

realizata prin metode non-invazive

colectand o cant mica de ADN care

apoi va fi amplificata prin PCR

Permite amplificarea in

laborator a unor secvente de

ADN specifice din probe mici

Fragmentele de ADN sunt separate in

functie de dimensiunea lor prin

electroforeza in gel de agar sau acrilamida.

Dupa separare fragmentele sunt detectate

prin:

(1) Colorarea gelului cu bromura de etidiu

(colorarea ADN),

(2) Folosirea primerilor marcati radioactiv

si autoradiografia gelurilor

(3) Folosirea primerilor marcati fluorescent

si secventarea produsilor de amplificare

Daca un individ este heterozigot pentru

doua alele microsatelitare cu numar

diferit de secvente repetitive atunci vor

fi identificate doua benzi de dimensiuni

diferite.

Microsatelitii masoara in mod obisnuit

variatia genetica la loci neutrali (nesupusi

selectie naturale) in conditiile in care

secventele repetitive sunt amplasate de

obicei in segmente neninformationale ale

ADN.

Diversitatea de la nivelul microastelitilor

este detectata prin amplificarea ADN

prin PCR.

Primerii care flancheaza microsatelitii

sunt utilizati pentru a specifica regiunea

ADN care urmeaza a fi amplificata

Amprentarea ADN releva o

variabilitate foarte mare, la un numar

mare de loci, fara a necesita

informatii anterioare despre ADNul

speciilor investigate.

Dezavantajul consta in

imposibilitatea de identificare a

locilor individuali, avand in vedere

faptul ca fragmentele deriva din

numeroase locuri din genom. Este o

metoda invaziva, deoarece necesita

cantitati mari de ADN

Inlocuita de alte metode non-

invasive in care prelevarea ADN este

urmata de PCR, cum sunt

microsatelitii, AFLP sau RAPD.

ADN Mitocondrial (mtDNA)

Molecule mici de ADN circular mostenite maternal la majoritatea speciilor

folosit pe scara larga la identificarea relatiilor taxonomice si a diferentelor dintre

populatiile unei specii

mtDNA este relativ abundent (nr mare de mitocondrii in celula) si usor de

purificat.

Diversitatea genetica a ADN mt poate fi detectata printr-o gama larga de metode

incluzand fragmentarea utilizand enzime de restrictie (RFLP), SSCP si

secventare.

Primerii ADN care functioneaza la majoritatea speciilor sunt deja stabiliti si

accesibili pentru un numar mare de gene ale ADNmt.

Acesti loci pot fi amplificati prin PCR iar produsul secventat .

Secventarea ADNmt are avantaje : sampling non-invaziv, ADNmt are o rata

mutationala mare si ca urmare are o variabilitate crescuta si poate fi folosit

pentru a identifica liniile femele ale descendentilor sau modelele de migratie.

Dezavantaje identifica o singura unitate mostenita maternal

Similar- ADN plastidic

Mai putina diversitate genetica in ADN

Diversitate mare

imperechere panmictica

primul studiu pentru locusul

alcool dehidrogenazei (Adh) locus

la drosofile.

The highest levels of genetic diversity in DNA are typically found in DNA

sequences with little functional significance.

These variants either do not code for functional products, or substitutions do not

change the function of the molecule, i.e. they are not expressed phenotypically.

Therefore, selection does not act against such changes.

Conversely, the lowest genetic diversity is found for functionally important

regions of molecules, such as the active sites of enzymes. Much of the DNA

in an organism does not code for functional products.

two important exceptions!

1. the major histocompatibility complex (MHC -- a

large family of genes that play a central role in the

vertebrate immune system and in fighting disease)

2. self-incompatibility (SI) loci in plants.

Both regions have extremely high levels of genetic

diversity due to natural selection that favors differences

among individuals within populations.

Microsatellites provide one of

the most powerful and practical

means currently available for

surveying genetic diversity in

threatened species

They typically show very

high levels of

polymorphism and many

alleles per locus.

For example, CA repeats

are common and often vary

in repeat number within a

population.

Low genetic diversity in threatened species

The abundant genetic diversity found in

large populations contrasts with that

found in many small or bottlenecked

populations.

For example, the northern elephant seal

has been hunted almost to extinction,

but has subsequently recovered from its

population size bottleneck.

This species exhibits no allozyme

variation and possesses substantially

reduced levels of microsatellite

variation in comparison to related

non-bottlenecked species.

Mirounga angustirostris