Quantitative Trait Loci

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1 Universidade Federal de Pelotas Faculdade de Agronomia Eliseu Maciel Departamento de Fitotecnia - Programa de Pós-Graduação em Agronomia Quantitative Trait Loci (LOCOS DE CARACTERES QUANTITATIVOS) Alunos de doutorado: Carlos Busanello, Eng. Agr., Me. Professor orientador: Antonio Costa de Oliveira, Eng. Agr., PhD.

2 Análise de QTLs Definições Os caracteres quantitativos ou de variação contínua são aqueles que não permitem a classificação dos indivíduos em classes distintas, ou seja, não há uma diferenciação marcante entre os tipos segregantes. QTL foi a denominação sugerida para qualquer loco que tem contribuição para a variância do caractere.

3 Aquele que exibe variação fenotípica contínua. Indivíduos diferem um do outro através de pequenos incrementos no fenótipo. Normalmente são controlados por muitos genes (herança poligênica); frequência Valor do caráter Cada gene contribuiu para uma pequena mudança no fenótipo; Cada gene individual apresenta padrão de herança mendeliana; Forte efeito do ambiente sobre fenótipo; Herdabilidade tende a ser média a baixa; Caracteres agronômicos importantes apresentam herança quantitativa: Ex: Rendimento, estatura de planta, diâmetro de planta, número de frutos, tamanho de frutos...

4 QTL (Quantitative Trait Locus ) 1. Região do genoma que afeta uma característica quantitativa 2. Pode corresponder a: 1. Um gene; 2. Um grupo de genes próximos que atuam em conjunto; 3. Uma região promotora; 4. Uma região reguladora; 5. Outros elementos genômicos.

5 QTL (Quantitative Trait Locus ) 1. Região do genoma : 1. Loco que possa ser acessado sem ambiguidade; 2. Menor região que afeta a característica; 2. Característica quantitativa : 1. Passível de medição objetiva; 2. Procedimento padrão para medir; 3. Afeta : 1. Loco contém elemento genômico (gene, promotor, inibidor, etc.); 2. Este elemento genômico participa de algum processo celular que contribui para a característica; 3. Diferentes variantes (alelos) do loco produzem modificação mensurável na característica.

6 QTL (Quantitative Trait Locus) Interesse para melhoramento 1. Permitem previsões sobre o fenótipo baseadas no genótipo; 2. Fenótipo só é disponível após certo tempo, ou até mesmo não disponível; 3. Custo das técnicas laboratoriais para genotipagem pode ser uma barreira.

7 QTL (Quantitative Trait Locus) Fatores adicionais a considerar 1. Herdabilidade 1. Porcentagem da variância da característica numa população devida à genética; 2. Restante da variação é devida ao ambiente; 3. Quanto mais baixa a herdabilidade, mais difícil de melhorar por via genética; 2. Epistasia 1. Interação genética pela qual o efeito combinado de dois ou mais QTLs é superior à soma dos efeitos individuais.

8 QTL (Quantitative Trait Locus) Vários tipos de populações podem ser utilizadas no mapeamento genético dependendo do hábito reprodutivo da espécie, do objetivo do trabalho e do tempo disponível para sua realização.

9 QTL (Quantitative Trait Locus) Desenhos experimentais Para que um programa de análise de QTLs tenha sucesso é preciso que os marcadores moleculares estejam em desequilíbrio de ligação com os alelos segregantes nos locos que influenciam as características fenotípicas. Exemplo. Um organismo hipotético que tem apenas três pares de cromossomos e que não apresenta recombinação, para facilitar a visualização.

10 Uma geração de indivíduos a partir de duas linhagens homozigotas. Em F2 os alelos segregarão. Os indivíduos F1 são cruzados com indivíduos de uma das linhagens parentais. A diferença básica é que, dentre os indivíduos que serão analisados, há apenas homozigotos para alelos que estavam na linhagem com a qual os indivíduos F1 foram cruzados ou heterozigotos.

11 Exemplo prático Cruzamento inicial: B73 x Gaspé Flint B73 -> é uma linha de referencia de milho (genoma é sequenciado); Gaspé Flint -> linha extremamente precoce da América do Norte; Coleção de linhas de introgressão bem caracterizadas para tempo de floração e raízes seminais.

12 Mapeamento genético Mapa genético é uma maneira de se observar a segregação de genes e, ao mesmo tempo, é um instrumento que mostra a relação física entre eles. Para identificação de ligação entre dois locos, é necessário a existência de desequilíbrio de ligação. Assim, é importante a realização de um cruzamento entre genótipos contrastantes e a análise da progênie oriunda desse cruzamento. Os desvios da segregação independente revelam a ligação entre os locos analisados. Pode-se dizer então que um mapa genético constitui-se no ordenamento e no estabelecimento de distancia entre marcadores genéticos. Dois tipos de mapas: mapa genético ou mapa de ligação e mapa físico. Tem por base o nível de recombinação entre marcadores (Distancia relativa) Utiliza distancia real entre marcadores (Número de base)

13 Exemplo prático Dados de SNP de Coleção de linhas de introgressão visualizados com Flapjack Dados de 50-K SNP array ILLUMINA

14 QTL (Quantitative Trait Locus) Genotipagem Fenotipagem Boa caracterização

15 Análises estatísticas dos resultados Esse é um dos pontos mais delicados do estudo dos QTLs, pois vários fatores devem ser levados em consideração. 1. Do tamanho da amostra. Em amostra muito pequenas espera-se grandes oscilações ao acaso. Nesse caso, os QTLs passíveis de identificação são aqueles que possuem efeitos muito fortes, ou então passarão desapercebidos. 2. Da densidade de marcadores. Quanto mais marcadores, maior será o poder de detecção dos efeitos combinados. 3. Da distribuição dos marcadores ao longo do cromossomo. Se eles estiverem com uma distribuição muito agregada, teríamos grande poder de detecção nas regiões com alta densidade, mas isso, na prática, faria com que eles funcionassem como um único marcador. 4. Do número de características fenotípicas considerado no estudo. Um programa bem realizado procurará aumentar a chance de se descobrir efeitos de genes em fenótipos e obviamente quanto mais características métricas forem analisadas, maior a probabilidade de se encontrar marcadores associados a locos com efeitos significativos.

16 Praticando

17 Configurações de Região e Idioma: Inglês

18 Possíveis Derivações

19 BIN-> Região de marcadores redundantes; MAP-> Construção de mapas de ligação genética em populações biparentais; CMP-> Construção de mapa consenso que compartilham marcadores comuns; SDL-> Distorção da segregação de mapeamento de locus; BIP-> Mapeamento de genes aditivos e epistasia digênica em populações biparentais; MET-> Mapeamento de genes aditivos e epistasia digênicas de ensaios multiambientais; CSL-> Mapeamento de genes aditivos e epistasia digênica com linhas de substituição de segmento cromossômico (CSS); NAM-> Mapeamento intervalo composto para populações NAM.

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21 Exemplo SMA -> Análise de um único marcador; RSTEP-LRT-ADD -> Teste da razão de verossimilhança com base em regressão Stepwise para QTLs aditivos, RSTEP-LRT-EPI -> Teste da razão de verossimilhança com base em regressão Stepwise para epistasia.

22 Exemplo COE -> Matriz triangular do coeficiente de correlação entre os marcadores; MTP -> Frequência do marcador, e teste do qui-quadrado para a segregação; QIC -> QTL identificado a partir mapeamento por intervalo composto (IC); RIC -> Resultados de cada varredura unidimensional por intervalo composto(ic); STA -> Estatísticas básicas dos fenótipos; STP -> Regressão Stepwise.

23 E agora??? Encontrei o marcador que indica a alteração, hipoteticamente umc2030 em milho...

24 QTL para angulo de raíz/número no chr. 9 IL B73 Chr. 9 IL B73 Efeito parece restrito a aprox. 2 Mb no telomero chr. 9

25 Perspectivas futuras Organismos transgênicos Uma vez encontrado um QTL, a natureza exata do loco envolvido pode teoricamente ser determinada. Para isso, é preciso que primeiramente seja empregado uma densidade de marcadores muito alta na região candidata, propiciando um mapeamento mais preciso. A região do genoma pode ser então clonada e sequenciada. Uma vez feito isso, variações alélicas naturais ou mesmo artificiais podem ser "implantadas" tanto no organismo onde se detectou o efeito fenotípico ou até mesmo em outros organismos.

26 Perspectivas futuras Clones A utilidade do emprego dos clones no estudo de QTLs poderia ser no sentido de verificar o efeito de diferentes condições ambientais em um único genoma, em organismos onde os clones não existam naturalmente. Podem servir ainda na produção maciça de organismos transgênicos quando estes não forem suficientemente estáveis para se manter com cruzamentos convencionais. O emprego maciço de clones apresenta o perigo de, devido à enorme uniformidade genética.

27 Perspectivas futuras Emprego de "biochips Biochips ou "chips de DNA" consistem em arranjos bidimensionais de alta densidade de fragmentos de DNA sintetizados ou clonados. A aplicação dos biochips em estudos com QTLs apresenta um potencial enorme em um futuro próximo pois possibilita a caracterização genotípica com alta densidade de marcadores naqueles organismos que têm projetos de sequenciamento de genomas ou mapeamento físico com alta densidade em andamento. A perspectiva também é que os custos e a mão de obra dos programas de QTLs, caiam drasticamente.

28 Universidade Federal de Pelotas Faculdade de Agronomia Eliseu Maciel Departamento de Fitotecnia - Programa de Pós-Graduação em Agronomia Disciplina de Melhoramento Genético de Plantas Quantitative Trait Loci (LOCOS DE CARACTERES QUANTITATIVOS) carlosbuzza@gmail.com