Mapeamento de QTL s: Aplicações e Perspectivas

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1 Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas LGN SEMINÁRIOS EM GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS Mapeamento de QTL s: Aplicações e Perspectivas Aluna: Priscilla Karen Sabadin Orientador: Antonio Augusto Franco Garcia Departamento de Genética Avenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: Piracicaba - São Paulo - Brasil Telefone: (0xx19) / 4125 / Fax: (0xx19)

2 Característica Quantitativa Natureza complexa; Controlados por muitos genes; Grande influência ambiental; Importância econômica; Importância agronômica. Muito pouco compreendidos

3 Característica Quantitativa Fequência Fenótipo Fenótipo Valor fenotípico Valor genotípico Valor genotípico Figura 1. Características quantitativas. Mackay, T.F.C. Nature Reviews Genetics, 2:11-20, 2001.

4 O que é um QTL?? G01 Do inglês: Quantitative Trait Loci locos controladores de características quantitativas G02 G03 G04 G05 G06 QTL Regiões ao longo do cromossomo responsáveis pela expressão de características quantitativas G07

5 Algumas questões... Número de locos que controlam os caracteres Localização destes nos cromossomos Interação dos QTL s (epistasia) Interação de QTL s com o ambiente

6 Princípio básico do mapeamento: Existência de desequilíbrio de ligação entre os alelos do marcador e os alelos do QTL

7 Delineamentos genéticos

8 Do cruzamento de duas linhagens segregantes, obtêm-se progênies com diferentes frações do genoma de cada parental Fenótipo Médio Geração Mackay, T.F.C. Nature Reviews Genetics, 2:11-20, Figura 2. a) Linhagens parentais divergentes. b) Parentais são cruzados gerando indivíduos que contém diferentes frações dos genomas parentais

9 Várias são os tipos de populações segregantes utilizadas. Os mais comuns são: Gerações provenientes de retrocruzamentos; Gerações F 2 ; Conjuntos de linhagens puras recombinantes derivadas de plantas F 2 ; Conjuntos de linhagens duplo-haplóides obtidas de gametas de plantas F 1 ;

10 Parental A X Parental B Parental A ou B X F 1 Cultura de anteras Haplóide RC F 2 População F2 Populações a partir de retrocruzamentos F Duplo-haplóide Linhagem pura recombinante Linhagem duplohaplóide Esquema representativo dos diferentes tipos de gerações utilizadas no mapeamento genético (Coelho, 2000)

11 Marcadores Moleculares

12 O primeiro passo na identificação e localização dos QTLs é estimar a ordem linear dos marcadores Figura 3. Mapa genético do cromossomo 11 de rato. Doerge, W.R. Nature Reviews Genetics, 3:43-52, 2002.

13 Marcadores Moleculares Deve-se levar em conta: 1. Tipo de marcador genético a ser utilizado: Maior conteúdo informativo: natureza codominante 2. Número de marcadores que devem ser mapeados e número de indivíduos genotipados; 3. Custo, tempo e dificuldades práticas;

14 Com isso: Depois que as análises fenotípicas são realizadas de cada indivíduo, associações estatísticas entre os fenótipos dos marcadores e as características quantitativas são estabelecidas através de aproximações estatísticas que vão desde a análise de variância até modelos mais complexos que incluem vários marcadores e interações.

15 Cada ponto terá uma determinada distância de cada um dos marcadores. Quanto maior for a distância, menor a probabilidade de que o marcador esteja detectando os efeitos daquele ponto. A probabilidade de recombinação aumenta com a distância. Calculamos para cada ponto os efeitos detectados para cada um dos marcadores e multiplicamos por uma função que é inversamente proporcional à distância entre o ponto e o marcador.

16 Um exemplo: 1. Teste t (retângulo preto); 2. Mapeamento por Intervalo Simples (linha azul); 3. Mapeamento por Intervalo Composto (linha verde); 4. Nível de significância de 95% (linha vermelha). Teste Distância em Morgans Figura 4. Análise do cromossomo 11 de rato para a característica severidade Doerge, W.R. Nature Reviews Genetics, 3:43-52, 2002.

17 A altura da linha de significância dependerá: Do tamanho da amostra. Da densidade de marcadores. Da distribuição dos marcadores ao longo do cromossomo. Do número de características fenotípicas considerado no estudo.

18 Métodos de Mapeamento

19 Vários são os métodos de mapeamento: Teste t; Análise de variância; Regressão Linear; Mapeamento por Intervalo Simples; Mapeamento por Intervalo Composto; Mapeamento Múltiplas Características ou Ambientes; Mapeamento de Múltiplos Intervalos;

20 Mapeamento por intervalo Composto (CIM) (Zeng, 1994) Utiliza um método de regressão com cofatores; QTL s fora do intervalo em questão são considerados ligados a marcas como covariáveis, eliminando esses efeitos Evita que toda a variação devida a outros QTL s fora do intervalo sejam residuais, elevando a precisão das estimativas; E que QTL s ligados ao intervalo em questão interferiram no processo de estimação, levando a declaração dos chamados falsos QTL s.

21 Mapeamento por intervalo Composto (CIM) (Zeng, 1994) Desvantagens: Não permite estimar os efeitos epistáticos;

22 Mapeamento por Intervalo Composto para Múltiplas Características ou Ambientes (mcim) (Jiang e Zeng, 1995) É uma extensão do Mapeamento por Intervalo Composto; Estimação da interação QTL x ambiente; Mapeamento de mais de uma característica simultaneamente Característica correlacionadas devido a ligação ou à pleiotropia; Aumenta poder de detecção dos QTL s; Precisão na estimação de seus efeitos.

23 Mapeamento por Intervalo Composto para Múltiplas Características ou Ambientes (mcim) Desvantagem: Não considera os efeitos epistáticos

24 Mapeamento por Múltiplos Intervalos (MIM) (Kao et al., 1999) Considera múltiplos intervalos simultaneamente; Incorpora parâmetros de epistasia no modelo; Maior eficiência e precisão na identificação dos QTL s; Os efeitos são estimados sem viés;

25 Mapeamento por Múltiplos Intervalos (MIM) Desvantagem: Não se sabe ao certo quão eficientes são os procedimentos que guiam a procura por associações marcador-qtl.

26 Aplicações A caracterização da sintenia entre espécies, inferindo sobre sua filogenia; No melhoramento genético: Na seleção assistida por marcadores, o mapeamento precisa ser utilizado

27 Aplicações Direcionamento de cruzamentos entre cultivares específicos; A identificação individual permite a clonagem do QTL; Identificação de marcadores candidatos que apresentam uma maior probabilidade de estarem ligados a poligenes

28 Alguns exemplos da literatura

29 Kulwal, P.L.; Roy, J.k.; Balyan, H.S.; Gupta, P.K. QTL mapping for growth and leaf characters in bread wheat. Plant Science, v. 164, p , 2003.

30 Características avaliadas no trigo: Hábito de crescimento precoce; Dias para poda; Dias de maturação; Altura de planta; Métodos utilizados: Mapeamento por Intervalo Composto (CIM) Mapeamento por Intervalo Composto para Múltiplas Características (mcim) 3 características correlacionadas (excluindo altura de planta)

31 Conclusões: CIM detectou um total de 16 QTL s: Característica Efeito do QTL (%) hábito de crescimento precoce (4 QTL s) 73,19 dias para poda (5 QTL s) 90,61 dias de maturação (5 QTL s) 67,92 altura de planta (2 QTL s) 16,27

32 Conclusões: mcim detectou 12 QTL s para as 3 características correlacionadas 6 foram comuns tanto para CIM como para o mcim. Alguns dos QTL s identificados afetaram mais de uma característica cada, indicando possíveis efeitos pleiotrópicos ou de forte ligação. Não foram estimadas a interação QTL x ambientes

33 Figura 5. Cromossomo 2D usando CIM para dias de maturação

34 Hábito de crescimento precoce Dias para poda Dias de maturidade Atura de planta Figura 6. Mapa genético dos cromossomos do trigo contendo QTL s

35 Stuber, C.W.; Sisco, P.H. Marker-facilited transfer of alleles between elite inbred lines and responses in hibrids. 46TH Annual Corn & Sorghum Research Conference, 1991.

36 O esquema é muito útil em programas de melhoramento de milho Objetivo foi melhorar um híbrido simples elite oriundo do cruzamento de duas linhagens elites (LA e LB) Provenientes de dois grupos heteróticos distintos I e II.

37 Grupo Heterótico I Grupo Heterótico II Linhagem elite Linhagem elite LZ x A x LT B P1 Mapeamento dos QTL s P2 Mapeamento dos QTL s Transferência via retrocruzamento assistido nas linhagens elites Transferência via retrocruzamento assistido nas linhagens elites Linhagem elite A melhorada x Linhagem elite B melhorada Híbrido Figura 7. Esquema para obtenção do híbrido.

38 Foram obtidas diversas linhagens elites melhoradas Com alelos favoráveis de outras linhagens não elites; Foram cruzadas e avaliadas em experimentos com repetições. Resultados favoráveis: Aumento na produção de grãos de forma considerável nos híbridos oriundos das LA e LB melhoradas

39 José Ubirajara Vieira Moreira Mapeamento de QTLs para reação à doença mancha de Phaeosphaeria em milho Tese de doutorado, Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, 2004.

40 A população foi composta por linhagens endogâmicas, genotipadas com 143 marcadores microssatélites; Mapeamento por Múltiplos Intervalos (MIM). O objetivo foi mapear QTL s para estudar a herança e para identificar alelos favoráveis de reação à mancha foliar de Phaeosphaeira em uma população de milho tropical

41 Foram detectados 6 QTL s distribuídos ao longo dos cromossomos: 1, 3, 4, 6 e 8 os QTL s explicaram, em conjunto, 41,62% da variância fenotípica.

42 Conclusão: Coeficiente de herdabilidade elevado do caráter: A seleção fenotípica individual pode acarretar progressos substanciais com seleção Baixa interação genótipo por ambiente; Epistasia dominante x dominante foi detectada entre os QTL s mapeados no cromossomo 8; Todos os QTL s mapeados encontram-se próximos a QTL s mapeados para reação a outros patógenos.

43 Michel Choary de Moraes Mapas de ligação e mapeamento de QTL ( Quantitative Trait Loci ) em maracujá-amarelo (Passiflora edulis f. flavicarpa Deg.) Tese de Doutorado, Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, 2005.

44 População composta por 97 indivíduos; IAPAR-06 e IAPAR-123 Características avaliadas: produção e qualidade dos frutos: velocidade de crescimento; produção total; número total de frutos; peso médio de frutos; comprimento e largura média dos frutos; porcentagem de polpa; teor de sólidos solúveis totais; formato médio dos frutos. Mapeamento por intervalo composto

45 Foram encontrados um total de 41 QTL s: 6 QTL s para produção total; 7 QTL s para número total de frutos; 4 QTL s para peso médio de frutos; 5 QTL s para comprimento médio de frutos; 4 QTL s para largura média de frutos; 4 QTL s para porcentagem de polpa; 7 QTL s para teor de sólidos solúveis; 4 QTL s para formato médio dos frutos; 90% eram QTL s de efeitos moderados, explicando até 15% da variação fenotípica QTL s de grande efeito foram detectados para produção de frutos (15,02%), número total de frutos (16,49%) e formato médio de frutos (21,82 e 20,12%).

46 Conclusão: A população oriunda do cruzamento da plantas IAPAR-06 e IAPAR-123 apresenta ampla variabilidade genética que pode ser explorada para seleção dos melhores clones; Ambos os acessos avaliados possuem QTL s favoráveis para características de produção e qualidade dos frutos.

47 Dyeme Antonio Vieira Bento Mapeamento de QTLs para produção de grãos e seus componentes em uma população de milho tropical. Tese de doutorado, Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, 2006.

48 Foram utilizadas 256 progênies F 2:3 ; Avaliadas em diversos ambientes; Mapa genético composto por 139 marcadores microssatélites; Mapeamento por Intervalo Composto expandido para Múltiplos Ambientes (mcim);

49 Caracteres avaliados: Produção de grãos; Prolificidade; Peso de 500 grãos; Comprimento da espiga; Diâmetro da espiga; Diâmetro do sabugo; Profundidade de grãos; Número de fileiras; Número de grãos por fileira

50 Conclusão: Detectou-se 44 regiões de coincidência para a presença de QTL s para produção de grãos e seus componentes; 24 QTL s para produção de grãos segundo maior relatado na literatura. Os QTL s mapeados foram distribuídos irregularmente nos cromossomos, não ocorrendo regiões de concentração; Ocorrência de QTL s para diversos caracteres em regiões genômicas coincidentes pode ser considerada indício de pleiotropia ou ligação gênica.

51 Conclusão: Na maior parte dos QTL s mapeados para todos os caracteres constatou-se interação genótipo x ambiente; Em pelo metade dos QTL s para os caracteres; Em produção de grãos e diâmetro da espiga foi constatada em todos os QTL s mapeados Os QTL s reportados podem ser utilizados em programas de melhoramento que incorporem a SAM para introgressão em outros germoplasmas.

52 Perspectivas no mapeamento de QTL s

53 Perspectivas Grandes avanços podem ser visto no mapeamento, como: No melhoramento: Disponibilidade de marcadores fortemente ligados a genes de interesse; Possibilidade de seleção de QTL s estáveis nos ambientes e épocas de cultivo.

54 Perspectivas Ainda no melhoramento: Modelos mais complexos permitirão detalhar melhor as causas da correlação genética entre caracteres; Pleiotropia; Ligação gênica

55 Perspectivas Uso do conhecimento prévio de vias metabólicas gerado por trabalhos na área de biologia molecular, seja útil para criar um modelo poligênico;

56 Perspectivas Mapas genéticos mais densos e a disponibilidade de marcadores codominantes, multialélicos e transportáveis, representariam uma melhoria na habilidade de conduzir mapeamento de ligação e análise de QTL em algumas espécies. Redução dos custos dos programas de QTL s, assim como a mão de obra envolvida.