Inma Martín Burriel LAGENBIO minma@unizar.es Caracterización genética de poblaciones aplicada a estudios de biodiversidad Inma Martín Burriel LAGENBIO minma@unizar.es Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Biotecnología y Medio Ambiente 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 Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

“La conservación de recursos genéticos 5000 razas reconocidas de aves y animales de producción 1/3 en peligro de extinción “La conservación de recursos genéticos animales es esencial para permitir a los agricultores adaptarse a condiciones ambientales cambiantes y a las demandas del consumo” Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Biotecnología y Medio Ambiente Situación en España EFE: Casi el 70% de las razas autóctonas del país están en peligro de extinción El 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 Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

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Biotecnología y Medio Ambiente 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 Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Biotecnología y Medio Ambiente 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 Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

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. Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

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 ) Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

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. Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

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 Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Caracterización genética Elección de una muestra representativa Análisis de marcadores genéticos Estudios de variabilidad: Nº medio de alelos por locus. Riqueza alélica. Heterocigosidad Determinación de las frecuencias alélicas Equilibrio genético. Estudios de diferenciación genética. Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

1. Muestreo de la población Muestra representativa Tener en cuenta posibles subpoblaciones Elección de individuos no emparentados Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Biotecnología y Medio Ambiente 2. Polimorfismos Variaciones morfológicas: Color Medidas geométricas Formas Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Biotecnología y Medio Ambiente 2. Polimorfismos Polimorfismos cromosómicos Variación de la morfología cromosómica Variación en las bandas cromosómicas Muy diferentes Muy Similares Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Biotecnología y Medio Ambiente 2. Polimorfismos Polimorfismos inmunológicos Antígenos eritrocitarios HLA: 2 loci con 5 alelos cada uno25 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%) Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Biotecnología y Medio Ambiente 2. Polimorfismos Polimorfismos del DNA: Microsatélites. SNP (Single Nucleotide Polymorphism): SNP del cromosoma Y. Análisis de secuencias: DNA mitocondrial. Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Biotecnología y Medio Ambiente 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 Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Biotecnología y Medio Ambiente Microsatélites FAO recomienda 30 microsatélites (mínimo 20 micros) Proyectos internacionales para unificar medidas de lectura CA Alelo 1 Alelo 2 Genotipado: http://www.unizar.es/lagenbio/recursos/pcr.html Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Genotipado de microsatélites   BM1824 TGLA227 TGLA122 SPS115 ETH225 BM2113 ETH10 Mallorquina 1 179 183 089 140 144 244 139 147 134 138 221 Mallorquina 2 189 083 162 143 217 Mallorquina 3 091 149 Mallorquina 4 148 213 Mallorquina 5 181 142 150 Mallorquina 6 Mallorquina 7 Mallorquina 8 Mallorquina 9 Mallorquina 10 Mallorquina 11 Mallorquina 12 Mallorquina 13 Mallorquina 14 Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Características de los microsatélites Alto grado de polimorfismo No sujetos a selección (neutros) Representativos de todo el genoma Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

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 Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Biotecnología y Medio Ambiente INRA 35 Nº Alelos: 10 123/123 121/123 125/127 123/127 123/125 123/129 123/123 121/123 123/125 5 alelos 3 alelos Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Número medio de alelos por locus Micro 1: 3 Micro 2: 5 Micro 3: 7 Micro 4: 4 Micro i: nai NMA = S nai Nº micros Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Biotecnología y Medio Ambiente Riqueza alélica Número medio de alelos por locus corregido para el número de individuos de la menor población 121/123 123/123 123/123 3 alelos 125/127 125/127 5 alelos 123/127 123/127 123/123 123/123 n = 6 n = 11 121/123 123/127 123/125 3 alelos 121/123 123/127 123/123 123/129 123/125 Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Heterocigosidad media Frecuencia media de individuos heterocigotos por locus o, frecuencia media de loci heterocigóticos por individuo 9 Het/ 11 = 81.8% 123/123 121/123 125/127 123/127 123/125 123/129 123/123 121/123 123/125 4 Het/ 11 = 44.4% Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Heterocigosidad media Micro 1: H1/n Micro 2: H2/n Micro 3: H3/n Micro 4: H4/n Micro i: Hi/n HETo = S Hi Nº micros Medida de la variación de los genotipos Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

3. Determinación de las frecuencias alélicas BASE PARA LA CARACTERIZACIÓN GENÉTICA …. Recuerdo de Genética de Poblaciones Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Genotipo F. Genotípicas observadas Cálculo de frecuencias alélicas Análisis de DNA  Codominancia Caso de un microsatélite con 2 alelos LOCUS GENOTIPO INDIVUOS OBSERVADOS ILSTS005 171/171 96 171/173 36 173/173 2 134 Genotipo F. Genotípicas observadas 171/171 96/134= 0.717 171/173 36/134= 0.268 173/173 2/134= 0.015 Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Cálculo de las frecuencias alélicas LOCUS GENOTIPO INDIVUOS OBSERVADOS FRECUENCIAS ILSTS 005 171/171 96 0.717 171/173 36 0.262 173/173 2 0.015 134 Recuento directo genes Alelo 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 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 Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Biotecnología y Medio Ambiente 4. Equilibrio genético Población grande No existe mutación Ni selección Ni migración Apareamiento es aleatorio Equilibrio Hardy-Weinberg Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Predicción de la frecuencia génica en n generaciones Desviaciones del EHW Mutación: Tasa de mutación (y retromutación) Selección natural o artificial Intensidad de selección Aptitud de genotipo Migración: Proporción de migrantes PROCESOS SISTEMÁTICOS Predicción de la frecuencia génica en n generaciones Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

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 Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Biotecnología y Medio Ambiente Proceso dispersivo Generación POBLACIÓN BASE n= ∞ 2N 2N 2N 2N 2N 2N 2N N N N N N N N 1 2N 2N 2N 2N 2N 2N 2N 2 Deriva genética Diferenciación en subpoblaciones Uniformidad dentro de subpoblaciones Incremento de la homocigosidad N N N Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Supervivencia aleatoria Organismos diploides Unión aleatoria Supervivencia aleatoria Gametos Muestreo Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Biotecnología y Medio Ambiente 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 Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

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 ≥ 0 (excepción cuello de botella reciente) =0  Panmixia =1  Subdivisión extrema, aislamiento completo ≤0,05  Diferenciación genética “despreciable” >0,25  Diferenciación genética muy grande Fst (medida de distancia genética) Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

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 Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

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. Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

6. Diferenciación genética 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 Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Biotecnología y Medio Ambiente 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. 0.074 0.083 0.108 C. Navarra 0.151 0.163 0.188 0.218 0.235 0.257 0.162 0.137 0.155 0.124 0.150 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 Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

ÁRBOLES FILOGENÉTICOS Los valores de distancia expresados gráficamente, mediante algoritmos como (UPGMA, Neighbour-Joining). Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente

Biotecnología y Medio Ambiente 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. Casta Navarra Fighting Bull Betizu Minorcan Pyrenean Nordwest Brown Group Asturian Downland Asturian Mountain 39 62 43 86 96 A Curso 2008-09 Biotecnología y Medio Ambiente