Genómica Estructural Mapeo Genético en Plantas Aplicaciones de los marcadores moleculares al Análisis de Genomas Vegetales: 1. Diversidad genética: Evaluación de Germoplasma Identificación y Protección Varietal 2. Base Genética de los Caracteres de interés Agronómico: Caracteres simples Caracteres Complejos MAPAS Mapeo Comparativo Clonaje Posicional MAS Mapa Genético Tipos de mapas genéticos • Mapa genético de ligamiento Descripción lineal de los marcadores/genes en un determinado cromosoma (marcadores próximos se heredan juntos). • Mapa físico Localización física de regiones del cromosoma Mapa de ligamiento La frecuencia de recombinantes depende de la distancia fisica entre los loci A B a1 a1 a2 a2 b1 b1 b2 b2 Homocigotos (Padres) Meiosis a1 b1 X a2 Gametos b2 F1 a1 Meiosis Sobrecruzamiento Heterocigotos a2 a1 a1 a2 b2 1/2 (1-r) b1 1/2 r (F1) b2 b1 b1 a2 b2 1/2 r 1/2 (1-r) Σ=1 r = frecuencia de recombination La frecuencia de recombinantes depende de la distancia física entre los loci a1 b1 + b2 a2 r= a1 b2 a1 b1 + + a2 b1 + a2 b2 • nº recombinantes = nº parentales r = 0,5: NO ligamiento • nº recombinantes < nº parentales r < 0,5: Ligamiento • nº recombinantes ~ 0 r ~ 0: Ligamiento completo Mapeo Genético Estimación del orden y distancias entre marcadores Dos marcadores cercanos en un cromosoma tienden a heredarse juntos La frecuencia con que esto ocurre permite estimar la distancia entre ambos Mapeo Genético Construcción de mapas multiloci 1) Construir grupos de ligamiento calculando distancias entre parejas de loci (LOD>3) 2) Ordenar los marcadores del mismo grupo de ligamiento (máxima verosimilitud). 3) Estimar las distancias entre los marcadores MAPMAKER > Análisis de ligamiento para marcadores dominantes, recesivos y codominantes • tipo de cruzamiento, número de marcadores, número de individuos genotipados, genotipo… • detecta grupos de ligamiento por análisis de dos puntos • análisis de tres puntos para calcular el orden más probable • calcula los LOD scores (verosimulitud del ligamiento) entre todos los pares posibles • Construye un mapa genético con distancias para cada grupo de ligamiento Mapeo Genético Programas disponibles • MAPMAKER • JOINMAP • LINKEM • MAPMANAGER • COMBIN • LINKAGE • CRIMAP • MULTIMAP • CARTHAGENE Mapa Genético Requerimientos del Mapeo de ligamiento 1) Marcadores 2) Poblaciones (diseños experimentales) Mapeo Genético Requerimientos del Mapeo de ligamiento 1) Marcadores - Cuantos más mejor - Dominancia vs Codominancia Mapeo Genético Requerimientos del Mapeo de ligamiento 2) Poblaciones - F2 - Retrocruzamiento - NILs, RILs -… Aproximación clásica • Mapeo General con Poblaciones segregantes • Cruzamientos entre individuos muy “diferentes” Retrocruzamiento, F2, Pseudo F2... Muestreo de Marcadores al azar Caracteres de interés ↓ Marcadores estrechamente ligados ↓ Mapas Saturados ↑ descendencias ↑ individuos ↑ marcadores Aproximaciones alternativas Muestreo de Marcadores en regiones específicas • Líneas casi isogénicas (NILs) - Retrocruzamientos recurrentes - Subproducto de Mejora • Líneas Consanguíneas recombinantes (RILs) - Mapa previo - NO Subproducto de Mejora • Análisis de bloques segregantes (BSA) Desarrollo de líneas casi isogénicas (NILs) x x x x Desaparición de la cromatina “no deseada” en función del número de retrocruzamientos. 40 35 30 cM 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 nº de Retrocruzamientos Hanson, 1959. Genetics 44: 833-7 10 Material empleado para el mapeo genético en Plantas R r P1 X P2 F1 Gametos (H) Colchicina Cultivo In vitro Autofecundación Rr F2F2 Dobles Haploides (DH) Retrocruzamiento con P2 (BC) Rr rr RR Rr Rr Autofecundación Rr Rr F5 Rr Autofecundación Near isogenic lines (NILs) RR rr Recombinant inbred lines (RILs) rr RR Resultado final de la generación de una población segregante para un carácter monogénico planta: 1 2 3 4 5 6 7 8 .... 1 2 3 4 5 6 7 8 ...... Cromosoma 5 r R Fenotipo T S Parentales BSA x F1 F2 T S Bloques T S “Mapa Genético en Centeno (Secale cereale L.)” Cruzamientos en centeno A1 X R A2 X R A3 X R A4 X R A6 X R AR1 AR2 AR3 AR4 AR6 AR3.14 AR4.18 AR6.17 ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ 3:1 3:1 3:1 3:1 AR1.5 AR1.7 AR1.11 AR1.13 AR1.15 AR2.6 AR2.14 X X X X R R R R 1:1 9:7 3:1 ⊗ ⊗ 3:1 15:1 1:1 Ligamiento a isoenzimas localizados en el cromosoma 6R RAPDs ligados a la Tolerancia al Aluminio OpB03655 OpR01600 Transformación a SCAR OpB03655 OpB15790 OpR01600 Loci Alt1, OpA08415 Alt1, Aco1 Alt1, Est6 Alt1, Est8 Alt1, Ndh2 Alt1,OpB03655 Alt1,OpB15790 Alt1,OpR01600 T,11 22 8 T,+ 58 53 58 64 46 72 Distribución de la descendencia s,11 T,12 s,12 T,22 2 42 9 9 16 43 6 22 T,s,+ 15 21 20 12 15 11 9 7 27 24 1 1 s,22 13 2 s,3 12 13 17 0 23 X2 cM 18,75*** 31,17*** 33,5 24,6 0,75 3,18 9,94** 31,51*** 12,28*** 86,64*** 46,4 21,9 0 2,2 Relaciones de ligamiento obsevadas entre el locus Alt1 y otros loci localizados en 6R 6RS 2,1 cM OpR01600 Alt1 5,5 cM OpB15790 ←Centrómero 16,1 cM Aco1 4,8 cM OpB03655 10,0 cM OpA08415 6,4 cM Ndh2 24,0 cM 6RL 0,7 cM Est6 Est8 7RS 0 SCARQ4283 15 SCIM823853 SCIM8811422 23 25 26 27 28 29 OPO2984 SCIM8111376 OPO2633 OPO7666 SCIM8191434 OPQ4725 31 32 34 40 46 51 SCIM812626 59 OPJ171245 63 65 SCM40 OPF20483 SCM86 71 74 OPD1858 OPJ3857 79 82 84 SCIM810621 OPF20579 OPF20709 ScALMT1 OPQ4578 SCIM8121138 SCIM8232826 OPN1667 OPN1708 ←Centromere Identificación de Caracteres Cuantitativos con Efecto sobre Caracteres de Interés Agronómico en Plantas Cultivadas Mendel Fisher Haldane Wright Genética Genética Mendeliana Cuantitativa Caracteres Caracteres Discretos Contínuos Tipo Grado Individuos Poblaciones Gen único Cualitativo Cuantitativo Poligénico Ambiental Mapeo de Loci de Caracteres Cuantitativos (QTLs) Que es un QTL? • Es la localización de un gen que afecta a un carácter cuantitativo El mapeo de caracteres cuantitativos no es tan simple como el de cualitativos En los 1920’s Fisher y Wright desarrollaron los conceptos de Genética Cuantitativa y QTLs El mapeo de QTLs se ha vuelto una realidad en los últimos años por el desarrollo de los marcadores moleculares • Cantidad ilimitada • Sin influencia ambiental • Análisis en fases tempranas • Sencillos, rápidos y objetivos Análisis de QTL ¿Hay asociación entre el genotipo para el marcador y el fenotipo para el carácter cuantitativo? laboratorio campo computadora Mapeo por Intervalos La presencia de un QTL y su efecto se estima en función de los marcadores que flanquean el intervalo que acotan Software •Mapmaker/QTL: Interval mapping -> http//www-genome.wi.mit.edu/ •Mapmaker/SIBS: Sib-pair data -> http//www-genome.wi.mit.edu/ •QTL cartographer: Para los tres métodos cartografía http://www2.ncsu.edu/ncsu/CIL/stat-genetics •MapQTL: Parte de JoinMap, un paquete de análisis de ligamiento e-mail: j.w.vanooijen@cpro.agro.nl •MQTL: Permite test de permutaciones para establecer el umbral de significación (no análisis de F2) ftp://gnome.agrenv.mcgill.ca/pub/Genetics/software/MQTL •LINKAGE: Programa de análisis de ligamiento de marcadores que también incluye la información fenotípica ftp://linkage.cpmc.columbia.edu/software/linkage ¿Por qué es tan difícil caracterizar un QTL? • Imprecisión del mapeo • Poca capacidad para detectar QTLs de pequeño efecto o bajas heredabilidades Factores • Poblaciones empleadas para mapeo de al menos 500 individuos • Clasificación del carácter muy exacta • Repeticiones (distintos años, poblaciones y ambientes) QTL de Tolerancia al Aluminio en centeno AR1 10 8 6 n 4 2 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 cm 3 3,5 4 4,5 QTL de Tolerancia al Aluminio en centeno S F2 T 12 10 8 n 6 4 2 0 0 0,5 1 1,5 2 cm 2,5 3 3,5 4 QTL de Tolerancia al Aluminio en centeno 7RS • Ailés es portador del Alelo MÁS Tolerante para Qalt4 •Riodeva es portador del alelo MÁS Tolerante para Qalt5 Índice de Recrecimiento de la Raíz (cm.) Qalt5 Qalt5 Ailés Qalt5 Ailés Qalt5 Ailés Qalt5 Riodeva Qalt5 Riodeva Qalt5 Riodeva Qalt4 Qalt4 Riodeva Qalt4 Riodeva Qalt4 Riodeva Qalt4 Ailés Qalt4 Ailés Qalt4 Ailés 4,03 21,24 - 5,30 25,43 26,24 - 26,00 29,65 • Ailés es portador del Alelo MÁS Tolerante para Qalt4 •Riodeva es portador del alelo MÁS Tolerante para Qalt5 Índice de Recrecimiento de la Raíz (cm.) Qalt4 Qalt4 Riodeva Qalt4 Riodeva Qalt5 Qalt5 Ailés Qalt5Riodeva Ailés Qalt5 Ailés Qalt5 Riodeva Qalt5 Riodeva Qalt5 Riodeva Qalt4 Riodeva Qalt4 Ailés 21,24 no 4,03 es tan “sensible” Qalt4 Ailés Qalt4 Ailés - 5,30 25,43 26,24 - 26,00 29,65 Mapas físicos Mapas físicos La distancia entre marcadores es una distancia física real, basada en pb. • Baja resolución: Marcadores citogenéticos • Alta resolución: Mapas de restricción, secuenciación DNA Mapeo físico Cariotipo Genómica Comparativa Aplicaciones de los marcadores moleculares al Análisis de Genomas Vegetales: 1. Diversidad genética: Evaluación de Germoplasma Identificación y Protección Varietal 2. Base Genética de los Caracteres de interés Agronómico: Caracteres simples Caracteres Complejos MAPAS Mapeo Comparativo Clonaje Posicional MAS Especie ancestral Especie 1 Mutaciones Especie 2 Especie 3 Especie 4 – ¿Para que comparamos? – ¿Que podemos comparar? – ¿Qué información obtenemos? ¿Para que comparamos? VISTA Genome Browser La conservación a lo largo de distancias evolutivas importantes indica una constricción funcional útil para detectar genes de interés ¿Para que comparamos? CMTV Comparative Map and Trait Viewer La caracterización de diferencias entre organismos indica el mecanismo del cambio ¿Para que comparamos? Podemos trasladar la información de especies modelo a especies de interés económico A. thaliana Medicago truncatula Soja ¿Que comparamos en la actualidad? • Marcadores genéticos (mapas comparativos) • Secuencias parciales y completas de genomas 1. Mapas comparativos Especie 1 1 1 5 3 2 4 4 Especie 2 2 5 2. Secuencias Líneas de datos donde cada elemento puede ser una de cuatro letras (A, C, G o T). Las líneas pueden ser muy largas – miles de millones de letras. Las secuencias pueden ser de todo tipo. Especie 1: caggaaaacacacactcacatacatgaacaatatctc ||||| || ||||| |||||||| |||| || || Especie 2: caggataatgcacac catacatgcacaaaat tc Servidores y programa de alineamiento • NCBI BLAST www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST • WU-BLAST blast.wustl.edu/ • BLASTZ www.psc.edu/general/software/packages/blastz/ • BLAT www.genome.ucsc.edu/cgi-bin/hgBlat?command=start • LAGAN lagan.stanford.edu/lagan_web/index.shtml • mAVID baboon.math.berkeley.edu/mAVID • MUMMer www.tigr.org/software/mummer • SSAHA www.sanger.ac.uk/Software/analysis/SSAHA/ Visualización Comparativa de Genomas •Apollo www.gmod.org/apollo.shtml •CMap www.gmod.org/cmap •CMTV www.ncgr.org/cmtv •Ensembl www.ensembl.org •NCBI Map Viewer www.ncbi.nlm.nih.gov/mapview/ •PipMaker pipmaker.bx.psu.edu/pipmaker •SOCKEYE www.bcgsc.bc.ca/sockeye •UCSC Genome Browser www.genome.ucsc.edu •VISTA www-gsd.lbl.gov/vista/ •ECR Browser ecrbrowser.dcode.org/ •Virtual Comparative Map rgd.mcw.edu/VCMAP Con la secuenciación completa de genomas se “reinventó” la Genómica Comparativa Vertebrados BACs Shotgun Margulies y Birney, 2008 Completa Anotación de genomas • Obviamente, para comparar genomas es extremadamente importante identificar donde están localizados los genes Genómica Comparativa • La comparación entre genomas es una herramienta adicional para la identificación de genes. • Por otra parte, la identificación de genes es una herramienta para la comparación de genomas. Genes Candidato Genes Candidato El objetivo en los análisis del genoma de especies de interés económico es identificar los genes responsables de los caracteres de interés Genes Candidato Gen Candidato Biológico -Gen con una función biológica conocida relacionada con el desarrollo o la fisiología del carácter Gen Candidato Posicional - gen mapeado previamente en una región en la que se ha identificado un QTL Gen Candidato Posicional comparativo - Gen candidato mapeado en otra especie en una región de sintenia conservada que corresponde a la región del QTL. Genes Candidato Metodología 1) Elección del gen candidato. 2) Obtención de secuencias (primers) para amplificar el gen. 3) Búsqueda de polimorfismos en genes candidatos. 4) Desarrollo de métodos de genotipado. 5) Identificación de poblaciones para el estudio de asociación. 6) Estudio de asociación del gen con el fenotipo. 7) Comprobación de asociaciones. Genes Candidato 1) Elección del gen candidato 1) Aspectos biológicos o fisiológicos. 2) Efectos mutacionales en otras especies 3) Localización cromosómica 4) Localización en otras especies Genes Candidato 2) Obtención de primers para PCR •Información de secuencia en bases de datos: -Genbank http://www.ncbi.nlm.nih.gov -EMBL http://srs.ebi.ac.uk •Información de distintas especies secuencia consenso •Software standard para: -Comparar secuencias -Diseño de primers •Secuenciación del producto de PCR Genes Candidato 3) Búsqueda de polimorfismos en genes candidatos •Cualquier polimorfismo puede utilizarse (1/500pb) Genes Candidato 4) Desarrollo de métodos de genotipado a gran escala •PCR-RFLP •SNPs: Primer extension Pirosecuenciación Chips Genes Candidato 5) Poblaciones para el estudio de asociación •Cualquier población con variación genética Variedades Líneas comerciales Líneas de selección … Genes Candidato 6) Comprobación de asociaciones • Repetir el análisis en otros materiales Ejemplo de Aproximación por Gen Candidato P F1 F2 Ailés (T) X Riodeva (NT) X Riodeva (NT) Genética de la tolerancia en centeno 1R 2R 3R 4R 5R 6R 7R Alt4 Alt1 Alt3 Qatl5 Genes Candidatos 1. Colección de ESTs obtenidas de raíces de centeno tratadas con Al. 2. Genes ya descritos con patrones de expresión diferentes entre genotipos sensibles y tolerantes al Al. 3. Canales de exudación de ácidos orgánicos de arroz y Arabidopsis. Gen ScALMT1 de centeno: Localización 7RS Alt1 M 1R 2R 3R 4R 5R 6R 7R 7RS 7RL CS CSI ScALMT1 está en 7RS I M MI Gen ScALMT1 de centeno: Mapeo M A R T NT M 7R Alt1=ALMT1 MI ScALMT1 está completamente ligado a Alt1 7RS 0 SCARQ4283 15 SCIM823853 SCIM8811422 23 25 26 27 28 29 OPO2984 SCIM8111376 OPO2633 OPO7666 SCIM8191434 OPQ4725 31 32 34 40 46 51 SCIM812626 59 OPJ171245 63 65 SCM40 OPF20483 SCM86 71 74 OPD1858 OPJ3857 79 82 84 SCIM810621 OPF20579 OPF20709 ScALMT1 OPQ4578 SCIM8121138 SCIM8232826 OPN1667 OPN1708 ←Centromere Transportador de Malato Gen ScALMT1 de centeno: Expresión • ScALMT1 es inducido por Al en los ápices de la raíz • Mayor expresión en las raíces de las plantas tolerantes 17 11 μmol/g-1 Nivel de expresión ScALMT1 23 3h 5 6h 9h 12h 24h 1 -1 NT T 0 min NT T 30 min NT T 1 hora NT T 6 horas NT T 24 horas Clonaje posicional, Genes Candidatos y QTLs QTLs ↑↑↑ generaciones ↑↑↑ número de individuos ↑↑↑ número de marcadores ↓ Análisis de Bloques Segregantes, NILs, RILs Análisis de bloques segregantes (BSA) Diferentes combinaciones de Genes y Ambientes pueden ser responsables de los fenotipos “extremos” Mapas de alta resolucion para clonar un QTL Análisis del caracter cuantitativo Análisis de marcadores Detección de QTLs y ligamiento Relleno de huecos (Más marcadores en la región) Más individuos (Más recombinantes en la region) QTL de Espigado en arroz Selección Asistida por Marcadores (MAS) Los Caracteres de Interés y el apoyo en los Marcadores Moleculares Caracteres de interés Gen Gen Gen Gen Gen Estudio Mejora QTL QTL QTL QTL QTL Marcadores estrechamente ligados MAS Uso de MMs estrechamente ligados a un carácter de interés para sustituir o apoyar los test de campo Asumimos que los MMs pueden predecir de manera fiable el fenotipo para el carácter MAS P1 x NT P2 T F1 F2 MAS Utilidades de los MMs en Mejora • Gestión y uso de los Recursos Genéticos • Selección de los individuos mejores • Transferencia de los factores genéticos a líneas élite Retrocruzamiento asistido por MMs Control segmento a introducir Recuperación genotipo receptor Ventajas • Método rápido y “barato” de selección • Selección en fases tempranas • Fiabilidad – No hay efectos ambientales – Discriminación entre homocigotos y heterocigotos Selección del tipo de MM • • • • • • Complejidad metodológica Fiabiliadad Grado de polimorfismo Cantidady calidad del DNA necesario Coste ... Integración de la Tecnología Molecular en la Mejora Vegetal • Hay muchos artículos científicos sobre mapas y muy pocos ejemplos de MAS • Retos: – Mejorar la comunicación entre Biólogos Moleculares y Mejoradores – Simplificar las tecnologías moleculares – Abaratar los costes de los MMs Aplicaciones de los marcadores moleculares al Análisis de Genomas Vegetales: 1. Diversidad genética: Evaluación de Germoplasma Identificación y Protección Varietal 2. Base Genética de los Caracteres de interés Agronómico: Caracteres simples Caracteres Complejos MAPAS Mapeo Comparativo Clonaje Posicional MAS