Genetyka populacji

  • View
    4.979

  • Download
    5

Embed Size (px)

Text of Genetyka populacji

Wydzia Ochrony rodowiska i Rybactwa UWM w Olsztynie

Przewodnik do wicze z

Genetyki populacjiMirosaw uczyski Sawomir Ciesielski Magorzata Jankun Dariusz Kaczmarczyk Pawe Wonicki

www.genetics.wustl.edu/

Olsztyn 2009

Szczegowv program wicze z przedmiotu GENETYKA dla studentw II roku kierunku Ochrona rodowiska (prowadzcy wiczenia: dr in. Sawomir Ciesielski)wiczenie 1. Genetyka populacyjna: czynniki wpywajce na rwnowag genetyczn populacji: mutacje, migracje, selekcja, dryf genetyczny. Frekwencja genw w populacji. wiczenie 2. Czsto wystpowania alleli i genotypw. Prawo Hardy-Weinberga. wiczenie 3. Genotyp a rodowisko: wpyw zagszczenia populacji na mas ciaa Drosophila melanogaster- zakadanie hodowli muszki owocowej (dwa rne zagszczenia populacji) (laboratorium). wiczenie 4. Modele doboru naturalnego w populacjach - symulacje komputerowe dotyczce zmian frekwencji alleli w populacji pod wpywem doboru naturalnego (sala komputerowa). wiczenie 5. Efektywna liczebno populacji i wspczynnik inbredu - rozwizywanie zada rachunkowych. wiczenie 6. Wpyw zagszczenia populacji na mas ciaa Drosophila melanogaster- zamknicie dowiadczenia (usypianie much i waenie prby, okrelenie redniej masy much w kadym zagszczeniu) analiza wynikw przy pomocy testu t-Studenta i wnioski (laboratorium). wiczenie 7. Kolokwium

dr in. Sawomir Ciesielski Katedra Biotechnologii w Ochronie rodowiska Tel: 089 5234162 e-mail: slavcm@uwm.edu.pl

wiczenie 1

wiczenie 1. Genetyka populacyjna: czynniki wpywajce na rwnowag genetyczn populacji: mutacje, migracje, selekcja, dryf genetyczny. Frekwencja genw w populacji.

Gdy gen ma dwa allele kodujce trzy fenotypy, a kady genotyp koduje unikalny fenotyp (dominacja niekompletna albo addytywne dziaanie genw), atwo okreli frekwencje alleli genu w populacji. Frekwencja allelu to:

liczba ryb o fenotypie liczba ryb homozygotycznym + o fenotypie kodowanym przez allel heterozygotyczny f (allelu ) = -------------------------------------------------------------------------------------2 (liczba ryb w populacji) 2

Liczba ryb o fenotypie homozygotycznym jest mnoona przez dwa gdy kada ryba ma dwie kopie allelu danego rodzaju; heterozygoty maj tylko po jednym allelu tego rodzaju. Liczba ryb w populacji jest mnoona przez dwa gdy kada ryba jest organizmem diploidalnym i ma dwa allele w kadym locus. Na przykad jeli hodowca pstrgw znajduje ryby zociste oraz "palomino" i chce wiedzie, jakie s frekwencje alleli G i G' w hodowanej populacji, powinien policzy ile jest ryb o kadym fenotypie, zsumowa allele i obliczy ich frekwencje (w procentach). Rozwamy przykad, w ktrym liczby ryb o poszczeglnych fenotypach (i przyporzdkowanych im genotypach) byy nastpujce:

Fenotyp normalnie ubarwione zociste palomino

Genotyp GG GG GG

Liczba .............. .............. ..............

Kady normalnie ubarwiony pstrg ma dwa allele G, kady pstrg palomino ma jeden allel

wiczenie 1

G, pstrgi zociste nie maj alleli G. Oglna liczba alleli w locus G jest rwna podwojonej liczbie wszystkich ryb w populacji (normalnie ubarwionych + zocistych + palomino). Czyli:liczba alleli G

f(G) = --------------------------------------------------- =cakowita liczba alleli w locus G 2 (... normalnie ubarwionych) + ....... palomino 2 (....... pstrgw tczowych razem) ............. alleli G ............. wszystkich alleli

= ----------------------------------------------------- = ---------------------------------------- = ............

Podobnie mona obliczy frekwencj alleli G', ktra w tym przykadzie wynosi Naley zauway i f(G) + f(G) =------+-------= 1,0.

Frekwencja genw i genotypw w populacji. Geny autosomalne. Dominacja kompletna (cakowita).Przy zaoeniu, e rozpatrujemy 1 locus, w populacji osobnikw diploidalnych mog wystpi:

Genotypy

AA Aa aa razem

O liczebnoci D H R N

O frekwencii D/N=d H/N=h RIN=r 1

Frekwencj danego genotypu w okrelonej populacji definiuje si jako stosunek liczby osobnikw posiadajcych dany genotyp do oglnej liczby osobnikw w danej populacji. Dla populacji nieokrelonej lecz o bardzo duej liczebnoci, wygodniej jest okrela frekwencj jako prawdopodobiestwo wystpowania danego genotypu w populacji, albo jako prawdopodobiestwo, e wybrany przypadkowo osobnik bdzie mia dany genotyp. Przykad: W populacji stwierdzono 300 osobnikw homozygot dominujcych (AA), 500 heterozygot(Aa) i 200 homozygot recesywnych (aa). Frekwenqe poszczeglnych genotypw bd miay wartoci nastpujce: d(M)=300/1000=0,3; h (Aa)=500/1 000=0,5;

wiczenie 1

r(aa)=200/1000=0,2 Wane jest poznanie frekwencji nie tylko genotypw ale i genw, gdy to wanie geny si dziedzicz a nie genotypy. Frekwencj genu rozumie si jako wzgldn czsto wystpowania, proporcj loci zajtych przez dany gen w populacji do wszystkich loei, ktre dany gen mgby zajmowa. Inaczej mona frekwencj genu zdefiniowa jako prawdopodobiestwo wystpowania danego allelu (genu) w populacji. Jeli przez "p" oznaczymy frekwencj allelu dominujcego genu A, przez q oznaczymy frekwencj allelu recesywnego tego genu oznaczonego jako a, wtedy:

p+q=1gdzie: 2D+H p = ------------------; 2N 2R+H q = -----------------2N

Allele A oraz a kodominuj dan cech fenotypow. to znaczy e na podstawie fenotypw moemy odrni od siebie osobniki o genotypach AA, Aa oraz aa. Frekwencja czstszych homozygot AA wynosi p2, frekwencja heterozygot Aa wynosi 2pq, a frekwencja rzadszych homozygot aa wynosi q2, co midzy innymi wynika z poniszego rozumowania. Jeli w populacji ryb rozwaamy jeden locus genowy, w ktrym segreguj dwa allele: A oraz a, wwczas w czasie rozrodu krzyuj si ze sob haploidalne gamety, jaja I plemniki, ktre s nosicielami albo allelu A albo allelu a. Wyrzucone do wody gamety cz si losowo ze sob w zygoty o trzech moliwych genotypach: AA, .Aa oraz aa, co mona okreli na podstawie poniszej szachownicy genetycznej:

A A a AA Aa

a Aa aa

wiczenie 1

Jeli allel A wystpuje w badanej populacji ryb z frekwencj p, podczas gdy allel a wystpuje z frekwencj q, wwczas frekwencje zygot o poszczeglnych genotypach (AA, Aa oraz aa) mona obliczy rwnie posugujc si szachownic genetyczn, w ktrej polach w miejsce nazw alleli (A, a) oraz genotypw (AA, Aa, aa) wstawimy obserwowane w populacji frekwencje alleli (p, q) oraz wyliczone prawdopodobiestwa, i powstan ,zygoty o poszczeglnych genotypach (prawdopodobiestwo e powstan zygoty o genotypie AA = p x p = p2; Aa = p x q + q x p = 2pq; aa = q x q = q2.

pp

q2

pp=p

pq

q

pq

qq=q2

Gdy midzy allelami wystpuje dominacja cakowita, frekwencj alleli trzeba oblicza metod pierwiastka kwadratowego, gdy w takim przypadku trzy genotypy koduj dwa fenotypy. Poniewa fenotyp heterozygotyczny jest niemoliwy do odrnienia od dominujcego fenotypu homozygotycznego, nie mona obliczy frekwencji alleli poprzez ich zwyke policzenie (nie wiadomo ktre ryby w populacji o dominujcym fenotypie maj dwa, a ktre maj jeden allel dominujcy). Tylko genotyp recesywny jest tym, ktry mona rozpozna na podstawie kodowanego przez niego fenotypu. Poniewa frekwencja recesywnego fenotypu to kwadrat frekwencji allelu recesywnego, pierwiastek kwadratowy z frekwencji fenotypu recesywnego to frekwencja recesywnego allelu w populacji. Frekwencj allelu dominujcego oblicza si odejmujc od jednoci frekwencj allelu recesywnego.

wiczenie 2

wiczenie 2. Model Hardyego-Weinberga (H-W). Svmulowanie losoweao kojarzenia gamet w populacii panmiktvcznei. Stosowanie testu 2 (chi2) do okrelenia czy obserwacje potwierdzaj prawo H-W.Proces analizy zmiennoci genetycznej skada si: - ze zbadania jednego lub wicej typw markerw genetycznych, - ilociowego wyraenia frekwencji fenotypw, - wywnioskowania na tej podstawie frekwencji genotypw kodujcych zbadane fenotypy. Nastpnie potrzebny jest okrelony model, ktry powie ze sob frekwencje genotypw z frekwencjami alleli i umoliwi wyciagnicie wnioskw na temat procesw, oddziaujcych na badan populacj. Uyteczno modelu polega na tym, i pozwala on zidentyfikowa kluczowe obserwacje (lub eksperymenty) ktre naley poczyni, aby lepiej zrozumie stan obecny populacji oraz zaradzi ewentualnym kopotom. Najpowszechniej stosowanym modelem, wicym frekwencje genotypw z frekwencjami alleli, jest model opracowany niezalenie przez G.H. Hardy'ego (1908) oraz W. Weinberga (1908). Model Hardy'ego-Weinberga opiera si na kilku wanych zaoeniach: - liczebno populacji jest wielka i staa w kolejnych pokoleniach, - kojarzenie si osobnikw jest losowe (populacja jest panmiktyczna, albo bardzo dobrze wymieszana), - organizmy s diploidalne, - pokolenia nie zazbiaj si, - rozrd odbywa si drog pciow, - wpywy mutacji, migracji i selekcji szaniedbywalne. W przypadku autosomalnych (tych, ktre nie s ulokowane na chromosomach pci) loci genowych o dwch allelach, model Hardy'ego-Weinberga przyjmuje posta:

(p + q)2 = p2 + 2pq + q2 = 1gdzie p to frekwencja czstszego allelu A podczas gdy q jest frekwencj rzadziej wystpujcego allelu a, natomiast p +q = 1. Proporcje genotypw bd odpowiaday rozwiniciu dwumianu (p + q)2.

AA

Aa

aa

wiczenie 2

p2

2pq

q2

Model Hardy'ego-Weinberga zakada, e jeli zostan spenione ww. zaoenia, to frekwencje alleli i genotypw w populacji nie bd si zmieniay z pokolenia na pokolenie. Zgodnie z tym zaoeniem, model moe by stosowany do przewidywania frekwencji genotypw na podstawie obecnej frekwencji alleli. Zastosowania modelu Hardy'ego-Weinberga dostarczaj podstawy do oceny si ewolucyjnych, wpywajcych na wachlarz genotypw w populacji. Jeli stwierdzamy e obserwowane frekwencje genotypw s inne ni frekwencje przewidywane przez model, mona stawia hipotezy co do przyczyn tych odchyle. Idc dalej, mona zaplanowa nowe obserwacje lub eksperymenty, ktrych celem bdzie wyjanienie procesw, ktre spowodoway rnice midzy obserwowanymi