BIOLOGIA APPLICATA E BIOTECNOLOGIE AGRARIE

8 La trasmissione dei caratteri: le leggi di Mendel

La genetica è la scienza che si occupa della trasmissione dei caratteri ereditari degli esseri viventi.
Il suo fondatore fu Gregor Mendel (18221884), frate agostiniano matematico e naturalista.
Nell’orto del monastero Mendel lavorò otto anni esaminando diecimila piante di piselli, elaborò i risultati quantitativamente, dimostrò la ripetitività dei fenomeni e trasse le regole oggi note come leggi di Mendel. Effettuando fecondazioni incrociate tra piselli verdi e rugosi e piselli gialli lisci, capì che il fenotipo di ogni individuo (cioè le sue caratteristiche somatiche) è ereditario e dipende dal suo genotipo (cioè dal suo patrimonio genetico) e individuò resistenza di caratteri dominanti e caratteri recessivi.
I caratteri di un organismo si costituiscono sulla base dell’informazione presente nel genotipo e sono il prodotto dell’attività di una proteina o dell’attività combinata di più proteine, secondo lo schema riassuntivo seguente:



Negli individui diploidi i cromosomi portanti lo stesso gene sono due; le due forme alternative di uno stesso gene, che occupano la stessa posizione (locus) su cromosomi omologhi, vengono definite alleli.
Chi possiede due alleli identici per uno stesso carattere viene definito omozigote, mentre chi possiede due alleli diversi è detto eterozigote o ibrido mendeleiano. Il carattere che si presenta sia nell’omozigote sia nell’eterozigote è detto dominante; quello che si presenta solo negli omozigoti è detto recessivo.


(a) Prima legge di Mendel (dominanza completa). (b) Seconda legge di Mendel (legge della segregazione).

Prima legge di Mendel o legge della dominanza

Quando due individui omozigoti, uno dominante e l’altro recessivo, si riproducono, la loro discendenza presenta solo il fenotipo dominante nel 100% degli individui.
In prima generazione gli ibridi sono uniformi sia nel fenotipo sia nel genotipo.
Alcuni ricercatori hanno poi dimostrato che la dominanza di un carattere su un altro non è universale: si può avere dominanza incompleta (gli ibridi F1, cioè gli incroci di prima generazione, hanno caratteri intermedi tra quelli dei due genitori, per es.: bocca di leone) o codominanza (entrambi i caratteri dei genitori si manifestano nella loro progenie Fj).

Seconda legge di Mendel o legge della segregazione

Quando due individui eterozigoti per lo stesso carattere si riproducono, la loro progenie presenta nel 75% dei casi il fenotipo dominante e nel restante 25% quello recessivo.
In seconda generazione le coppie di alleli si disgiungono e si separano in proporzione fìssa e costante durante la formazione dei gameti.


La seconda legge di Mendel si spiega con la segregazione durante la meiosi dei cromosomi omologhi; ottenendo così la separazione dei due alleli in gameti distinti.

Test cross

Per individuare il genotipo di un individuo, Mendel sviluppò un metodo chiamato test cross.
Quando ci troviamo di fronte a un fiore rosso siamo certi che il suo DNA abbia entrambi gli alleli dominanti (RR) o ne possieda uno recessivo (Rr). Per scoprirlo è sufficiente incrociarlo (test cross) con un fiore bianco che di certo è omozigote per l'allele recessivo. Il rapporto con cui compaiono i nuovi individui ci dirà se il fiore rosso (fenotipo dominante) era omozigote o eterozigote.


Test cross: gli individui nati dall’incrocio sono fenotipicamente identici: ciò vuole dire che il genotipo è omozigote; invece se dall’incrocio nascono il 50% di individui con fenotipo omozigote recessivo e il 50% con fenotipo dominante, signifi ca che il genotipo è eterozigote.

Terza legge di Mendel o legge della indipendenza

Quando due individui differiscono per più caratteri, questi vengono ereditati indipendentemente, cosicché si possono trovare nella discendenza tutte le combinazioni possibili.
I fattori che specificano per caratteri differenti assortiscono indipendentemente all’atto della formazione dei gameti e sono ereditati indipendentemente gli uni dagli altri.
Durante la meiosi i cromosomi si separano indipendentemente gli uni dagli altri. Nel caso di due caratteri ad assortimento indipendente (incrocio a due fattori), le combinazioni possibili sono:
-  9 dominanti per entrambi;
-  3 dominanti per il primo, recessivi per il secondo;
-  3 recessivi per il primo, dominanti per il secondo;
-  1 recessivo per entrambi.


(a) Esemplificazione della terza legge di Mendel: (b) incrociando un pisello portante semi con due caratteri dominanti (giallo e liscio GGLL) con un pisello portante semi con caratteri recessivi (verde e rugoso ggll), in prima generazione si ottengono eterozigoti a seme giallo e liscio; (c) incrociando fra loro in seconda generazione questi piselli, le combinazioni possibili sono: 9/16 giallo e liscio, 3/16 giallo e rugoso*, 3/16 verde e liscio, 1/16 verde rugoso*. 2° generazione * Evidenza del carattere “rugoso”

9 Eredità multifattortale

Mendel fu in grado di scoprire le leggi che portano il suo nome perché i caratteri da lui esaminati erano monofattoriali, ossia dovuti all'azione di un solo gene. In realtà, nella maggior parte dei casi, i caratteri sono multifattoriali, ossia dipendono da più di un fattore genetico, spesso con raggiunta di fattori ambientali. Un carattere che dipende da due o più loci, con contributo variabile di fattori ambientali è detto carattere non mendeliano, o multifattoriale, e comprende tutte le possibilità di combinazione di fattori genetici e ambientali.

Interazione fra alleli

Gli alleli che possono interagire fra loro sono alleli a dominanza incompleta e codominanti, alleli multipli e alleli letali. Non sempre fra gli alleli esiste un rapporto di dominanza e recessività e si possono verificare casi di dominanza incompleta quando la prima generazione Fv eterozigote, ha fenotipo con caratteri intermedi tra quelli dei due genitori omozigoti. Come si è visto, un tipico esempio è il colore dei petali della bocca di leone (.Anthirrìnum majus) e della bella di notte (Mirabilis jalapa): da genitori omozigoti per il colore rosso e omozigoti per il colore bianco nascono eterozigoti di colore rosa.


Dominanza incompleta: (a) belle notte; bocche di leone color rosa, arancio, gialle e bianche.

L'allele recessivo ha una sua influenza sul fenotipo, poiché la mancata produzione del pigmento dimezza la quantità del pigmento utile a dare il colore rosso. Nel caso in cui entrambi gli alleli si esprimano nel fenotipo e nessuno dei due domini sull'altro, si verifica la codominanza: i caratteri di entrambi i genitori si manifestano nella loro progenie F1.


Esempio di dominanza incompleta nei bovini di razza Shorthorn: (a) prima generazione filiale da toro rossofulvo e vacca bianca (in F1 tutti i mantelli sono roani; (b) seconda generazione filiale derivante dall’incrocio di 2 soggetti roani (in F2 si presentano tutte le combinazioni possibili in %: rossofulvo 25%, roano 50%, bianco 25%).

Un esempio è rappresentato dagli individui che hanno gruppo sanguigno AB (fenotipo AB dovuto alla presenza contemporanea di due alleli codominanti F/F). Un altro esempio è rappresentato dal colore del mantello dei bovini Shorthom: quando un toro rosso è incrociato con una vacca bianca, in F1 i discendenti sono roani, una combinazione di rosso e bianco. Se un toro roano è incrociato a una vacca roana, il vitello ha una probabilità su quattro di essere bianco, due probabilità su quattro di essere roano e una probabilità su quattro di essere rosso. Infatti un allele del gene codifica per un enzima che produce il colore rosso del pelo, mentre l’altro allele codifica per il colore bianco: entrambi si esprimono in una mucca pezzata rossobianca (.Roan cow). Quando per uno stesso gene esistono più di due alleli, si parla di alleli multipli.
Ciò vuol dire che in una popolazione possono esserci tre, quattro, cinque e più alleli diversi, ma ogni individuo può averne nel proprio genotipo al massimo due diversi. Ad esempio la pelliccia del coniglio può presentarsi in quattro fenotipi diversi (marrone, cincillà, bianco con macchie nere, bianco) che sono ereditari perché derivano da quattro alleli diversi: C, cch, eh, c. Si ottiene il fenotipo marrone quando l’individuo ha almeno un allele C e ciò significa che cch, eh c sono recessivi rispetto a C. Il fenotipo cincillà si manifesta in assenza dell'allele C, ma a sua volta l’allele cch, che determina il fenotipo cincillà, è dominante rispetto a eh e c. Quindi i genotipi possibili per questo fenotipo sono tre, Il fenotipo bianco con macchie nere può presentare a sua volta due genotipi possibili perché eh, recessivo rispetto a C e cch, è dominante rispetto a c. Infine c è recessivo a tutti gli altri alleli e avrà un solo possibile fenotipo: cc. C’è quindi una scala di dominanza:
1. C > 2. Cch > 3. Ch > 4. C.

Geni con alleli multipli.

Nelle piante gli alleli multipli più interessanti sono quelli che causano l’autoincompatibilità. In questo modo si impedisce al polline di impollinare gli ovuli della stessa pianta favorendo l’impollinazione fra piante diverse in modo da consentire il rimescolamento dei caratteri. In genere, un gene in un individuo diploide possiede solo due forme alleliche per cui, in caso di dominanza, si possono avere solo due tipi di fenotipi e in caso di dominanza incompleta tre tipi di fenotipi. Nella codominanza si hanno quattro o più fenotipi diversi.
Gli alleli letali sono alleli che portano al decesso dell’organismo in una fase precoce dello sviluppo, spesso prima della nascita, e i geni che li contengono sono detti geni essenziali per la vita di un organismo. Per esempio, il gene che codifica per una importante tappa metabolica, come la glicolisi, deve essere sempre espresso e funzionale, altrimenti l’embrione non può svilupparsi in quanto incapace di operare una fondamentale reazione biochimica, necessaria alla vita cellulare. Se l’allele letale è dominante, i portatori muoiono prima di riprodursi. Se invece l’allele è recessivo, può essere letale allo stato omozigote, ma non a quello eterozigote. Gli alleli letali furono scoperti nei primi anni del Novecento dal biologo francese Lucien Cuénot studiando il pigmento del mantello dei topi. Nella colorazione del mantello, infatti, sono coinvolti: l’allele Agouti (A) selvatico, al quale corrisponde un mantello grigio/nero, e l’allele AY (Y= Yellow, giallo) che causa la comparsa del mantello giallo. Questo allele è dominante suU’allele selvatico, ma in omozigosi AYAY non sopravvive.


Visualizzazione del comportamento dell’allele letale Y.

Interazione fra geni

Talvolta è l’azione combinata di due geni a dare luogo a un fenotipo diverso da quello prodotto da ciascun gene preso singolarmente e, perciò, 2 geni che controllano la stessa caratteristica danno 4 fenotipi differenti.
Questo incrocio si differenzia dall’incrocio fra diibridi mendeliani perché in F 2, si presentano due nuovi tipi (colore marrone e giallo) partendo da ascendenti nessuno dei quali presentava questo carattere.
Un altro di interazione fra geni è rappresentato dal colore del peperone Capsiicum annuum. i geni interessati sono R (produce pigmento rosso), r (non sintetizza il pigmento), C (decompone la clorofilla), c (non decompone la clorofilla). In seconda generazione compaiono i fenotipi giallo e marrone poiché i quattro fenotipi RRCC, RrCC, RrCc, RRCc danno il colore rosso, Rrcc dà il colore verde, RRcc dà il colore marrone e rrCc dà il colore giallo. Quando per una determinata manifestazione fenotipica occorre la presenza di due o più geni, questi vengono definiti geni complementari. In altri casi succede che un gene mascheri gli effetti di un altro e da due genitori omozigoti nascano individui con forme fenotipi che diverse. Il fenomeno prende il nome di epistasia; un esempio è rappresentato dal colore del pelo dei cani Labrador che è determinato da due coppie di geni: uno codifica per il pigmento e possiede l’allele B (pelo nero) e l’allele b (pelo marrone), l’altro è epistatico, codifica per la deposizione del colore nel pelo e possiede l’allele E (che esprime il nero/marrone) e l’allele e che blocca l’espressione. In altri casi, invece, un gene può determinare, oltre a un carattere fenotipico principale, varie influenze secondarie e si parla quindi di pleiotropia. Ne sono esempi nel lupino il carattere fiore violetto, sempre legato al colore scuro dei semi, mentre il carattere alternativo fiore bianco è legato a semi bianchi.
Il gene che determina il colore del mantello dei gatti ha effetto anche su occhi e orecchie. Gatti con mantello bianco e occhi blu sono sordi; gatti bianchi con un occhio blu e uno gialloarancio sono sordi dalla parte dell’occhio blu. A volte più geni localizzati su cromosomi diversi concorrono a determinare il carattere, come nell’uomo il colore della pelle, degli occhi, dei capelli, l’altezza, il peso, la pressione arteriosa, la longevità. Questi caratteri, detti poli genici, manifestano una vasta gamma di possibilità fenotipiche non facilmente correiabili col relativo genotipo. L’eredità poligenica è un fenomeno per cui i caratteri ereditari individuali sono spesso soggetti al controllo combinato da parte di più geni.


Visualizzazione dell’interazione fra geni.


(a) Esempio di epistasi nei cani Labrador. (b) Visualizzazione dell’incrocio di ibrido che mostra epistasi dovuta al gene e.


Pleiotropia del gatto.


L’altezza dell’uomo è un esempio di carattere poligenico.

Interazione geniambiente

Quando la manifestazione del carattere dipende non solo dal genotipo, ma anche dall’ambiente, il fenotipo è influenzato sia dai genotipi multipli che dai fattori ambientali.
Durante la formazione e lo sviluppo di un organismo, la disponibilità e la qualità del cibo, la presenza di sostanze dannose, la temperatura o altri fattori ambientali interferiscono con l'attività di formazione dei vari caratteri.
Un esempio è rappresentato dalle lepri artiche: il colore del pelo, pur determinato dai geni, dipende anche dalla temperatura dell’ambiente: è bianco in inverno e manone in estate.
Nel coniglio Himalaian la temperatura inferiore a 20 gradi produce pelliccia scura in corrispondenza delle estremità corporee.
Anche la lunghezza delle ali della drosofila è influenzata, anche se in maniera diversa nel maschio e nella femmina, dalla temperatura ambientale durante lo sviluppo.


Differenti colorazioni del pelo nel coniglio di razza Himalaian: il pelo delle estremità corporee assume una diversa colorazione (nera o bianca) in base alla temperatura mantenuta in fase di allevamento: (a) pelo completamente bianco per temperature di allevamento superiori a 30 °C; estremità con pelo con temperature intorno ai 20 °C.

Mappaggio genico: linkage e marcatori

La fortuna, o l’abilità scientifica, di Mendel nel formulare questa legge deriva dall’aver incontrato caratteri determinati da geni che si trovavano su cromosomi differenti, così che essi segregavano indipendentemente. Durante la meiosi infatti, sono i cromosomi interi a segregare, e se i geni sono portati su uno stesso cromosoma segregano assieme.
L’associazione di geni sullo stesso cromosoma si chiama linkage. In ogni organismo il numero dei linkage corrisponde al numero dei cromosomi dei gameti; tuttavia esistono vari gradi di associazione, poiché durante la meiosi si verifica fra i cromosomi omologhi uno scambio di geni detto crossingover.
Le frequenze di Crossing over danno una misura del grado di associazione e della distanza tra i loci. Più sono distanti, maggiore è la probabilità di ricombinazione mentre è molto raro un Crossing over che porti alla separazione di due geni vicini.


Lunghezza media delle ali della drosofila in relazione alla temperatura ambientale sopportata durante lo sviluppo.


I geni situati sullo stesso cromosoma, detti “associati”, sono allineati in un’ unica fila e generalmente vengono trasmessi “a blocchi”, ma tale allineamento genico può venire alterato dal “crossing over”.

In base all’associazione (quindi al lìnkage) dei geni è possibile costruire le mappe genetiche o mappe di concatenazione che localizzano geni conosciuti sui cromosomi utilizzando specifici marcatori.
Esistono tre tipi di marcatori:
- i marcatori morfologici o fenotipici: si basano sulle caratteristiche visibili (ad esempio in Drosophila il colore degli occhi, del corpo, ecc.) e poiché si tratta di geni, cioè parti di DNA codificante, la loro posizione nel cromosoma si ricava attraverso incroci programmati sperimentali;
- i marcatori biochimici: sono geni che codificano per prodotti biochimici, visibili solo mediante specifiche analisi, come la ricerca dei gruppi sanguigni o di una determinata proteina nel plasma o nel latte, o degli isoenzimi (forme alternative di uno stesso enzima, che svolgono la stessa funzione in un dato organismo anche se possono differenziarsi per uno o più amminoacidi);
- i marcatori molecolari: non sono geni, cioè non codificano per proteine, ma sono semplicemente tratti di DNA che vengono ereditati secondo le modalità mendeliane. Si trovano sparsi in tutto il genoma e sono caratterizzati da notevole polimorfismo, cioè esistono non solo in due alleli, ma in moltissime varianti alleliche. Oggi i marcatori a DNA, cioè microsatelliti, RFLP, VNTR e SNP sono i più usati, per l’analisi di lìnkage perché hanno permesso di definire il numero e la morfologia dei cromosomi, cioè il cariotipo o mappa cromosomica di molte specie di organismi.


Mappa genetica di un cromosoma della drosofila (a) e linkage del pisello (b).



Approfondimenti
Mappe geniche e marcatori molecolari
La sequenza di immagini che seguono rappresenta un esempio di mappa genetica raffigurante i cromosomi della specie Vitis vinìfera, la vite coltivata. I cromosomi, che nella vite sono 19 coppie di cui la metà di origine materna e l’altra metà di origine paterna, vengono ricostruiti con software dedicati, capaci di calcolare le distanze tra diversi frammenti del DNA di cui conosciamo la sequenza, chiamati marcatori molecolari.
Le sigle riportate lungo i 19 “bastoncini”, che rappresentano graficamente i cromosomi, definiscono ognuna un marcatore molecolare. La loro distribuzione lungo il cromosoma è stabilita in un primo tempo da calcoli probabilistici che definiscono le distanze genetiche, legate alla ricombinazione tra marcatori su cromosomi omologhi; in un successivo momento, tramite il sequenziamento del DNA della specie e grazie alla correlazione tra la mappa genetica e le sequenze di DNA dei cromosomi, le distanze genetiche vengono tradotte in distanze fisiche, ovvero in un numero definito di nucleotidi.
I marcatori molecolari possono essere contenuti all’interno di geni oppure appartenere a regioni esterne a questi.


Ovviamente i marcatori rappresentano un valore e hanno un potenziale diverso a seconda che definiscano o meno un gene, che si traduce in una proteina con una precisa funzione biologica. Un’elevata densità di marcatori molecolari posizionati sul genoma della vite è visualizzata sotto dove si riportano ed evidenziano i dettagli del cromosoma 18.
È importante sottolineare che molti geni posizionati su questo cromosoma sono correlati a resistenze genetiche nei riguardi di funghi patogeni della vite, in particolare Plasmopara viticola, volgarmente conosciuta come peronospora, uno dei patogeni fungini più dannosi per questa specie a livello mondiale.


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GENETICA, TRASFORMAZIONI, AGROAMBIENTE