Genetika kvantitativních znaků
- úvod
doc. Ing. Tomáš Urban, Ph.D.
MENDELU
urban@mendelu.cz
Genetika kvantitativních znaků
Informační zdroje
E-learning:
Urban T.: Virtuální svět genetiky 3 – principy genetiky
populací a kvantitativních znaků
http://user.mendelu.cz/urban/vsg3/
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 1
Falconer D.S. Introduction to Quantitative Genetics.
Lynch M., Walsh B. Genetics and Analysis of Quantitative Traits.
Hartl D.L., Clark A.G. Principles of Population Genetics.
Quantitative Genetics Resources: http://statistics.arizona.edu/zbook/book.html
Časopisy:
– J. of Animal Breeding and Genetics
– Livestock Science
– Genetics Selection Evolution
– J Dairy Science
– Genetics
• Člověk se vždy zabýval otázkami dědičnosti
• Všímal si podobností a rozdílů mezi generacemi
• Dědičnost – schopnost plodit stejné ze stejného
• Využití při zlepšování populací rostlin a zvířat pro potřeby
člověka
• Téměř jakákoliv vlastnost může být definována popisem
fenotypové variance/variability v a mezi populacemi
• Kvantitativní genetika je zaměřena na analýzu
genetických a prostřeďových faktorů ovlivňujících
fenotypovou varianci
• Klasická genetika se typicky zabývá jednotlivými geny s
velkými účinky, kvantitativní genetika naopak předpokládá
velký počet genů, každý s malými účinky, ovlivňující
variabilitu vlastnosti
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 2
• Otec moderní kvantitativní genetiky, R. A. Fisher: „Přirozený
výběr je mechanismus pro generování mimořádně vysoké
nepravděpodobnosti“
– Evoluční historie potvrzuje neustálý výskyt nepravděpodobných jevů
– To umožňuje vznik velkého rezervoáru genetické variance, výskyt mutací
a interakce mezi geny a prostředím.
• Současná revoluce v genomice umožňuje popsat genetickou
varianci na nebývalé úrovni, detekce nukleotidových změn, které
přímo nebo nepřímo ovlivňují fenotyp .
• Dochází k renesanci v kvantitativní genetice, zejména ve studiu
komplexních vlastností, umožňující teorie, které musí být
testovány experimenty celogenomového rozsahu.
Význam genetiky populací
• Genetika populací – kvalitativních znaků
– Mendel
• Genetika populací – kvantitativních znaků
– Genetika kvantitativních znaků
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 3
Historie šlechtění
Proces probíhající cca 12 000 let
- počátky domestikace a šlechtění = první civilizace
Neolitická revoluce
Centra – neolitické kultury – Střední Východ, JV Asie, Afrika, J Evropa
Irán, Irák, Izrael, Jordánsko, Sýrie, Turecko
Thajsko, Čína, Indie, Pákistán
Egypt, Somálsko
Řecko (Thesálie, Thrácie, Makedónie), Ukrajina až Gobi
Teotihuacán – Mexiko, Peru
viz. Obecná zootechnika
http://www.adbio.com/science/agri-history.htm
Genetické zušlechťování je permanentní a kumulativní
proces ne událost
Oblasti domestikace
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 4
Bylo to dříve?
Před 15 000 lety - lovci
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 5
Domestikace – evoluce - šlechtění
Zeslabení působení mnoha přirozených faktorů selekce
(působí však stále)
Cílená selekce na požadovanou vlastnost a výši její
hodnoty
Selekce souvisejících vlastností
Kontrola pohybu, šlechtění, krmení
Šlechtění – člověk jako hybatel
selekce (evoluce)
 Definice cílů pro šlechtění: selektována jsou
nejlepší zvířata
 Typické cíle pro šlechtění jsou kombinace
různých vlastností, které jsou důležité pro
produkci
 Fenotypová hodnota průměru vlastnosti v
populaci může být měněn žádoucím směrem
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 6
Robert Backewell
1725 - 1795
Anglický šlechtitel:
Shireský kůň
Leicesterská ovce
Longhornský skot
Používal
inbríding
testování potomků
Jeho metody byly dále využívány
Gregor Mendel
1822 – 1884
Základy genetických principů
Experimenty – hrách, jestřábník, včely
• nepochopen během svého života
• matematické hodnocení
biologického pokusu
Mendel G. 1866. Versuche über Pflanzenhybriden (Pokusy s rostlinnými
hybridy). Verhandlungen des naturforschenden Vereines in Brünn
(Sborník přírodovědeckého spolku v Brně), IV. svazek, za rok 1865,
tiskem 1866, v části Abhandlungen (Původní sdělení), s. 3-47.
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 7
Charles Darwin
1809 -1882
Britský přírodovědec
- přírodní selekce jako evoluční síla
Darwin, C. 1859. The Origin of Species by Means of
Natural Selection.
http://www.human-nature.com/darwin/origin
http://www.bena.com/lucidcafe/library/96feb/darwin.html
Darwin, C. 1883. The Variation of Animals and
Plants Under Domestication.
Přirozená selekce tvoří variabilitu mezi jedinci.
Historické kořeny kvantitativní genetiky
Kořeny jdou až k práci Galtona a Pearsona z let 1880 –
1900, kteří vyvinuli mnoho základních statistických
nástrojů (jako je regrese a korelace), dodnes
využívaný v QG.
Formální začátek QG začal s prací R. A. Fishera roku
1918 se zaměřením na dědičnost kvantitativních
vlastností, která dokázala, jak mendelistické genetické
modely dědičnosti mohou být využity pro analýzy
podobnosti kontinuálních vlastností mezi příbuznými
jedinci.
Fisher zavedl účinný nástroj statistickou metodu analýzu
variance (ANOVA), která je aplikována na celé pole
působnosti QG.
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 8
Chtěl kvantifikovat tyto rodinné podobnosti.
Založil statistický přístup ke genetice (regrese a korelace)
Francis Galton F.R.S. 1822-1911
Vymyslel korelační koeficient (r)
- Možno měřit stupeň asociace pro proměnnou
mezi dvěma příbuznými jedinci
Pro vlastnost, která je kompletně geneticky
determinovaná, s malým nebo bez vlivu
prostředí, se očekává, že r bude stejný jako
koeficient příbuznosti
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 9
Karl Pearson
1857 – 1936
statistik
• vyvinul matematicko-statistické metody pro studium dědičnosti a evoluce
• zavedl termín směrodatná odchylka
• regresní analýza, korelační koeficient, 2 test
• odvodil podmíněné průměry a variance pro multivariátní normální distribuci
18 článků souhrnně nazvaných: Mathematical Contribution to the Theory of Evolution
(1893 – 1912)
Ronald Fisher
1890 – 1962
Anglický statistik
- položil statistické základy
dědičnosti
- položil základy ANOVA
- zavedl termín maximální věrohodnost (maximum likelihood) a
studoval testování hypotéz
R. A. Fisher. 1930. The genetical theory of natural selection. Dover
Publications
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 10
Sewall Wright
1889-1988
Zoolog, genetik populací
USDA
University of Chicago
University of Wisconsin
- založil moderní teorii genetiky populací a teorii úsekových
koeficientů
Wright, S. 1916. An intensive study of the inheritance of color and other coat
characters in guinea pigs. Carnegie Institution of Washington: Pub. No. 241:59
Evolution and the Genetics of Populations. Sewall Wright
Vol 1: Genetic and Biometric Foundations. (1968)
Vol 2: Theory of Gene Frequencies. (1969)
Vol 3: Experimental Results and Evolutionary Deductions. (1977
Vol 4: Variability Within and Among Natural Populations. (1978)
Jay Lush
1896 - 1982
- položil vědecké základy
šlechtění zvířat
Iowa State University
30. – 70. Léta 20. stol.
- otec moderního šlechtění zvířat a genetiky
- rozpracovával teorii selekčních indexů
Lush, J.L. 1931. The number of daughters necessary to prove a sire. J.
Dairy. Sci 14:209
Lush, J.L. 1994. The Genetics of Populations. (publikováno po jeho smrti)
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 11
Výzkum - genetika - šlechtění
Genetické analýzy: odhadování genetických parametrů popisujících
příspěvek genetických faktorů k variabilitě užitkovosti a
předpovězení genetické hodnoty jedinců pro selekci.
Šlechtitelské cíle: definování žádoucích genotypů zvířat pro
užitkové vlastnosti v daných produkčních podmínkách.
Šlechtitelská schémata: návrh (design) selekčních schémat
zaměřených na genetický zisk a udržení genetické variability.
Analýza genomu: identifikování a studium role jednotlivých genů
(QTL) a celogenomové analýzy struktury a funkce (DNA chipy,
microarray).
Biologické aspekty: charakterizování biologického pozadí
genetických rozdílů mezi zvířaty.
Proč kvantitativní genetika a šlechtění ?
Hlavní principy kvantitativní genetiky –R. Fisher (1918) & S. Wright
(1921)
Praktické aplikace - 50. léta a výlučně v zemědělství (teoretický základ
pro šlechtění rostlin a živočichů )
- tři hlavní směry uplatnění
- kvantitativní genetika v evoluční biologii
- šlechtění zvířat, rostlin (vývoj nových metod OPH a komponent variance)
- vývoji nových metod pro detekci, lokalizaci a charakterizaci QTL
Je kvantitativní genetika „mrtvá“? --> zatím NE
- je však třeba opustit některé předpoklady, jako např. jednoduchou představu, že
kvantitativní vlastnosti jsou podmíněny pouze velkým počtem lokusů s malým
aditivním účinkem;
- kvantitativní genetika se začíná zaměřovat na vlastnosti s malým počtem lokusů,
neaditivními genetickými efekty, nemendelistickou genetikou, …
- očekává se začlenění genetických detailů o komplexních vlastnostech od molekulární
a vývojové biologie (např. genomická selekce)
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 12
Kvantitativní genetika a fenotypová evoluce
• evoluce je primárně genetickým procesem > Studium evoluce pomocí genetických
modelů
• kvantitativní genetika využívá statistiku aplikovanou na základní mendelistické
principy rozšířené na polygenní vlastnosti a vyjádření je v termínech fenotypových
průměrů a variancí
• většina kvantitativně genetických parametrů jsou odhadovány porovnáním fenotypů
jedinců se známým stupněm příbuznosti
• idea - podobnost mezi příbuznými je funkcí stupně, kterým je fenotypový projev
determinován podílejícími se geny v protikladu k náhodným prostřeďovým efektům
• kontrolovaná genetická analýza by měla být provedena se specifickým souborem
příbuzných jedinců konkrétního věku ve specifických podmínkách prostředí
• to nelze dodržet -> vyvíjejí se nové statistické procedury jako BLUP AM nebo REML
pro genetické hodnocení jedinců
• kritika molekulárních biologů > “povrchnost” kvantitativní genetiky
• výhoda QG - vysvětlí posun průměru a variance vlastností za selekce či inbridingu či
předpověď společného projevu korelovaných vlastností
Šlechtění je ekonomicky výhodnější než prostá produkce živočišných produktů.
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 13
Faktory ovlivňující kvantitativní vlastnost
Genetické vlivy
- genetickou hodnotu jedince, způsob křížení, způsob
selekce, vliv plemene, …
Systematické vlivy prostředí
- vliv chovatele (rok, sezóna, úroveň výživa, chov, stádo,
umístění ve stáji, individuální péče, …)
Náhodné nekontrolovatelné vlivy prostředí
- jejichž působení nelze kontrolovat, ovlivňovat ani předvídat
P = G + E
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 14
Plemenná hodnota a genetické založení
Kvantitativní charakter užitkových vlastností
Lze zjistit rozdíly mezi užitkovostmi způsobené různými genotypy
Tyto rozdíly jsou odhadnutelné
PH - odhad genetického založení jedince (jeho jedinečný
genotyp) vyjádřené odchylkou v užitkové vlastnosti od průměru
vrstevníků
Odhad plemenné hodnoty (OPH)
OPH je proces očištění genetických vlivů působících na
užitkovost od činitelů NEGENETICKÉ povahy a vše ostatní
„odstranit“ z vlivu
Na základě závisle proměnné užitkovosti chci odhadnout
genetické založení jedince  testace zvířat a jejich
matematické vyhodnocení
- stanovit přímý účinek genotypu jedince na vlastní užitkovost a to
genů s aditivním účinkem
OPH – odhad odchylky genetického založení.
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 15
Kolik % proměnlivosti můžeme šlechtit ?
Předmětem není jedinec, ale populace.
Většina užitkových vlastností je determinována polygeny –
kvantitativní vlastnosti.
Nepřenášejí se z generace na generaci genotypy, ale geny (alely)
pomocí gamet, jejichž spojením se vytváří nové genotypy u
generace potomků.
Fenotyp kvantitativních vlastností je modifikován vlivy prostředí.
Výše hodnot genetického zlepšování a její odraz v ekonomickém
zisku závisí na:
Genetickém založení vlastností
Odhadu plemenné hodnoty jedinců a populací (genotypová hodnota)
Přesnost definování šlechtitelského cíle
Optimální využití populace a zvířat s vysokou PH
Šlechtění vychází z těchto hypotéz:
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 16
Genetika kvantitativních znaků
01/03/2012 17