Conventionele plantenveredeling: klassieke genetica
Natuurlijke genetische variatie = drijfveer voor evolutie. Veredeling = wetenschap van verbeteren van genetische eigenschappen van
gecultiveerde gewassen met als doel een gewenste eigenschap te controleren. Conventionele veredeling → verlies van genetische diversiteit →
germplasm-erosie.
Germplasm = totale verzameling van genetische variatie in een soort. Het kweken tapt uit (en wordt beperkt door) het germplasm. Nieuwe
variatie wordt geïntroduceerd door mutatie en uitkruising.
Kenmerken:
• Tijdrovend / vele generaties = jaren
• Omslachtige selectie door deskundige fokkers
• Grote populaties vereist
• Alleen nauw verwante soorten
• Beperkt door bestaande natuurlijke variatie
• Kan worden beperkt door linkage
Vraag: Hoe kom je aan nieuwe variatie in planten? Meerdere antwoorden zijn mogelijk.
a. Breeding met interessante genotypes
b. Selectie van interessante fenotypes
c. Chemisch DNA veranderen
d. Fysiek DNA veranderen
e. Biotechnologie
Antwoord: Chemisch DNA veranderen, fysiek DNA veranderen en biotechnologie.
Moderne plantenveredeling
Planten-kweking is afhankelijk van genetische linkage en mutaties. Mutatie = bron van variatie (allelen). Echter, unieke eigenschapcombinaties
komen voort uit willekeurige bevruchting, onafhankelijke assortiment en segregatie (onafhankelijkheids- en splitsingswet) en meiotische
recombinatie.
Planten-kweking zorgt voor verlies aan fenotypische plasticiteit en genotypische variatie, maar dit kan weer verhoogd worden door te kruisen
met oerrassen = oude plantenrassen met enorme diversiteit. Kruising gecultiveerde en oerras → allelen terugbrengen in gecultiveerde ras →
toenemen germplasm van gecultiveerde ras.
Forward versus Reverse genetics
• Forward Genetics = bekend fenotype → ontdekken gen die fenotype veroorzaakt
• Reverse Genetics = bekend gen → ontdekken fenotype door wijziging gen
Quantitative genetcis
Quantitative genetics = wetenschap hoe genen interactie met elkaar en/of met de omgeving vormen om een diverse fenotypen te produceren
(of: Gene discovery)
• Qualitative kenmerken = gehele kenmerken (wel of niet)
• Quantitative kenmerken = kenmerken met gradatie (complex en multigeen; pleiotropie, epistatis, redundantie)
Fenotypische variatie (quantitative)
• Polygenic = quantitative kenmerken beïnvloed door veel loci
• Phenotypic plasticity = omgevingseffecten op deze loci creëren bredere scala fenotypes
(beter bij planten dan bij dieren)
1
,GxE-interacties
Gene-environment interactions (GxE) = twee verschillende genotypen reageren op omgevingsvariatie op verschillende manieren.
Quantitative Trait Locus (QTL) mapping
Quantitative Trait Locus (QTL) = statistische methode die twee soorten informatie verbindt: fenotypische gegevens (eigenschapsmetingen) en
genotypische gegevens (moleculaire markers) – in een poging de genetische basis van variatie in complexe eigenschappen te verklaren.
Voordelen QTL :
• Hoog detectievermogen
• Meerdere allelcombinaties getest
• Cryptische variatie (transgressie) kan worden blootgelegd
• Beheersbare populaties (omvang)
• Verschillende fenotypes en omstandigheden mogelijk getest op dezelfde fenetische materialen
Nadelen QTL :
• Vereist experimenteel kruis (niet altijd triviaal te verkrijgen)
• Beperkte kaartresolutie (beperkt door aantal gesteste markers) = grooot genomische regio’s gedetecteerd
• Slechts 2 allelen normaal getest (ouderlijk)
• Alleen gescheiden loci tussen ouderlijnen kunnen worden geïdentificeerd
Complexiteit reduceren door experimentele kruisingen (met QTL-mapping)
Doel: zuivere individuen (homozygoten) verkrijgen door telkens heterozygoten elke generatie te kruisen en homozygoten uit de groep te filteren.
Aannames: onafhankelijke assortiment chromosomen ; meiotische recombinatie ; willekeurige bevruchting.
Vraag: Gegeven is in de F3, de RIL populatie voor 75% homozygoot is. Als je deze populatie nog een keer laat zelfkruisen, hoeveel procent van
de F4 is dan homozygoot?
Antwoord: F3: 75% AA + aa en 25% Aa → F4: 87.5% AA + aa en 12.5% Aa
2
,Verschil Linkage-mapping en Association mapping
• Linkage/QTL-mapping = meting associatie tussen genomische regio en fenotype in experimentele recombinanten (mutaties, laag in
frequentie en hoog effect)
• Associatie-mapping = meting associatie tussen specifieke allelen in natuurlijke populaties, gebaseerd op historische recombinaties (SNPs,
hoog in frequenties en laag in effect)
SNP (single nucleotide polymorphism)
Single nucleotide polymorphism (SNP) = moderne eenheid voor genetische
variatie / verschillen in enkele nucleotiden.
Typen SNPs :
• Linked SNPs = SNPs zonder effect op eiwitproductie of -functie (buiten
gen)
• Non-coding SNPs = SNPs die hoeveelheid geproduceerde eiwitten
verandert (causatief en in gen)
• Coding SNPs = SNPs die aminozuur-sequentie en dus eiwitstructuur
verandert (causatief en in gen)
3
, Genome-wide association mapping (GWAS)
Genome-wide association mapping (GWAS) = statistische test voor verschillen in SNP-frequenties versus genomische positie. Fenotype is
geassocieerd met één chromosomale regio, niet één SNP.
Functies GWAS-analyse:
• Identificeren genetische risicofactoren / markers
• Identificeren genetische basis van biologische proces
• Begrijpen genetische architectuur voor een populatie
• Pharmacogenetics = begrijpen hoe een populatie / individu reageert op bepaalde behandeling
Opmerkingen GWAS :
• GWAS is geen diagnostisch middel
• GWAS is geen middel om genen te identificeren, maar SNPs
• GWAS detecteert zelden causale / zeer penetrante allelen (mutaties)
• Voorkomen van geassocieerde SNP betekent niet dat persoon het fenotype heeft
GWAS levert gelimiteerde informatie over complexe genoomstructuren, zoals:
• Grote deleties
• Grote inserties
• (herhalende) Uitbreidingen
• Duplicaties
• Inversies
• Translocaties
Voordelen GWAS :
• Geen kruising nodig, werkt met bestaande germplasms (gebaseerd op historie)
• Fenotypische data kan al mogelijk zijn
• Hoge resolutie (SNP-level)
• Meerdere allelen tegelijk getest
• Probes-variatie bestaat in populatie
Nadelen GWAS :
• Lage detectiekracht
• Herhaalbaarheid is een probleem
• Zeldzame allelen gemist
• Enorm grote steekproefomvang nodig
Linkage equilibrium en Haplotypes
Linkage equilibrium = allelen zijn onafhankelijk na herhaaldelijk willekeurige recombinaties en afbraak chromosomale segmenten (linked
allelen). Linkage decay (bereiken van LE) gehinderd door populatiestructuren zoals Bottlenecks, Founder effects, migratie en Genetic Drift.
Haplotypes = Patronen van SNPs / genetische varaties op een chromosoom die samen van één enkele ouder is geërfd. Dit zorgt ervoor dat er
een groep SNPs is die altijd terug te vinden zijn als een groep, terwijl er wellicht slechts één causaal is. Groter risico op Linkage disequilibrium
4
Natuurlijke genetische variatie = drijfveer voor evolutie. Veredeling = wetenschap van verbeteren van genetische eigenschappen van
gecultiveerde gewassen met als doel een gewenste eigenschap te controleren. Conventionele veredeling → verlies van genetische diversiteit →
germplasm-erosie.
Germplasm = totale verzameling van genetische variatie in een soort. Het kweken tapt uit (en wordt beperkt door) het germplasm. Nieuwe
variatie wordt geïntroduceerd door mutatie en uitkruising.
Kenmerken:
• Tijdrovend / vele generaties = jaren
• Omslachtige selectie door deskundige fokkers
• Grote populaties vereist
• Alleen nauw verwante soorten
• Beperkt door bestaande natuurlijke variatie
• Kan worden beperkt door linkage
Vraag: Hoe kom je aan nieuwe variatie in planten? Meerdere antwoorden zijn mogelijk.
a. Breeding met interessante genotypes
b. Selectie van interessante fenotypes
c. Chemisch DNA veranderen
d. Fysiek DNA veranderen
e. Biotechnologie
Antwoord: Chemisch DNA veranderen, fysiek DNA veranderen en biotechnologie.
Moderne plantenveredeling
Planten-kweking is afhankelijk van genetische linkage en mutaties. Mutatie = bron van variatie (allelen). Echter, unieke eigenschapcombinaties
komen voort uit willekeurige bevruchting, onafhankelijke assortiment en segregatie (onafhankelijkheids- en splitsingswet) en meiotische
recombinatie.
Planten-kweking zorgt voor verlies aan fenotypische plasticiteit en genotypische variatie, maar dit kan weer verhoogd worden door te kruisen
met oerrassen = oude plantenrassen met enorme diversiteit. Kruising gecultiveerde en oerras → allelen terugbrengen in gecultiveerde ras →
toenemen germplasm van gecultiveerde ras.
Forward versus Reverse genetics
• Forward Genetics = bekend fenotype → ontdekken gen die fenotype veroorzaakt
• Reverse Genetics = bekend gen → ontdekken fenotype door wijziging gen
Quantitative genetcis
Quantitative genetics = wetenschap hoe genen interactie met elkaar en/of met de omgeving vormen om een diverse fenotypen te produceren
(of: Gene discovery)
• Qualitative kenmerken = gehele kenmerken (wel of niet)
• Quantitative kenmerken = kenmerken met gradatie (complex en multigeen; pleiotropie, epistatis, redundantie)
Fenotypische variatie (quantitative)
• Polygenic = quantitative kenmerken beïnvloed door veel loci
• Phenotypic plasticity = omgevingseffecten op deze loci creëren bredere scala fenotypes
(beter bij planten dan bij dieren)
1
,GxE-interacties
Gene-environment interactions (GxE) = twee verschillende genotypen reageren op omgevingsvariatie op verschillende manieren.
Quantitative Trait Locus (QTL) mapping
Quantitative Trait Locus (QTL) = statistische methode die twee soorten informatie verbindt: fenotypische gegevens (eigenschapsmetingen) en
genotypische gegevens (moleculaire markers) – in een poging de genetische basis van variatie in complexe eigenschappen te verklaren.
Voordelen QTL :
• Hoog detectievermogen
• Meerdere allelcombinaties getest
• Cryptische variatie (transgressie) kan worden blootgelegd
• Beheersbare populaties (omvang)
• Verschillende fenotypes en omstandigheden mogelijk getest op dezelfde fenetische materialen
Nadelen QTL :
• Vereist experimenteel kruis (niet altijd triviaal te verkrijgen)
• Beperkte kaartresolutie (beperkt door aantal gesteste markers) = grooot genomische regio’s gedetecteerd
• Slechts 2 allelen normaal getest (ouderlijk)
• Alleen gescheiden loci tussen ouderlijnen kunnen worden geïdentificeerd
Complexiteit reduceren door experimentele kruisingen (met QTL-mapping)
Doel: zuivere individuen (homozygoten) verkrijgen door telkens heterozygoten elke generatie te kruisen en homozygoten uit de groep te filteren.
Aannames: onafhankelijke assortiment chromosomen ; meiotische recombinatie ; willekeurige bevruchting.
Vraag: Gegeven is in de F3, de RIL populatie voor 75% homozygoot is. Als je deze populatie nog een keer laat zelfkruisen, hoeveel procent van
de F4 is dan homozygoot?
Antwoord: F3: 75% AA + aa en 25% Aa → F4: 87.5% AA + aa en 12.5% Aa
2
,Verschil Linkage-mapping en Association mapping
• Linkage/QTL-mapping = meting associatie tussen genomische regio en fenotype in experimentele recombinanten (mutaties, laag in
frequentie en hoog effect)
• Associatie-mapping = meting associatie tussen specifieke allelen in natuurlijke populaties, gebaseerd op historische recombinaties (SNPs,
hoog in frequenties en laag in effect)
SNP (single nucleotide polymorphism)
Single nucleotide polymorphism (SNP) = moderne eenheid voor genetische
variatie / verschillen in enkele nucleotiden.
Typen SNPs :
• Linked SNPs = SNPs zonder effect op eiwitproductie of -functie (buiten
gen)
• Non-coding SNPs = SNPs die hoeveelheid geproduceerde eiwitten
verandert (causatief en in gen)
• Coding SNPs = SNPs die aminozuur-sequentie en dus eiwitstructuur
verandert (causatief en in gen)
3
, Genome-wide association mapping (GWAS)
Genome-wide association mapping (GWAS) = statistische test voor verschillen in SNP-frequenties versus genomische positie. Fenotype is
geassocieerd met één chromosomale regio, niet één SNP.
Functies GWAS-analyse:
• Identificeren genetische risicofactoren / markers
• Identificeren genetische basis van biologische proces
• Begrijpen genetische architectuur voor een populatie
• Pharmacogenetics = begrijpen hoe een populatie / individu reageert op bepaalde behandeling
Opmerkingen GWAS :
• GWAS is geen diagnostisch middel
• GWAS is geen middel om genen te identificeren, maar SNPs
• GWAS detecteert zelden causale / zeer penetrante allelen (mutaties)
• Voorkomen van geassocieerde SNP betekent niet dat persoon het fenotype heeft
GWAS levert gelimiteerde informatie over complexe genoomstructuren, zoals:
• Grote deleties
• Grote inserties
• (herhalende) Uitbreidingen
• Duplicaties
• Inversies
• Translocaties
Voordelen GWAS :
• Geen kruising nodig, werkt met bestaande germplasms (gebaseerd op historie)
• Fenotypische data kan al mogelijk zijn
• Hoge resolutie (SNP-level)
• Meerdere allelen tegelijk getest
• Probes-variatie bestaat in populatie
Nadelen GWAS :
• Lage detectiekracht
• Herhaalbaarheid is een probleem
• Zeldzame allelen gemist
• Enorm grote steekproefomvang nodig
Linkage equilibrium en Haplotypes
Linkage equilibrium = allelen zijn onafhankelijk na herhaaldelijk willekeurige recombinaties en afbraak chromosomale segmenten (linked
allelen). Linkage decay (bereiken van LE) gehinderd door populatiestructuren zoals Bottlenecks, Founder effects, migratie en Genetic Drift.
Haplotypes = Patronen van SNPs / genetische varaties op een chromosoom die samen van één enkele ouder is geërfd. Dit zorgt ervoor dat er
een groep SNPs is die altijd terug te vinden zijn als een groep, terwijl er wellicht slechts één causaal is. Groter risico op Linkage disequilibrium
4
